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wiss. Arbeit
HAHADEFformat2.doc
Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie
Institutsleitung Prof. Dr. Helmut Krueger
Motivierte Aufmerksamkeit und
Atmung
Habilitationsschrift
vorgelegt an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
durch
Brigitta Danuser - Nideröst
Zürich, im April 2001
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Danuser
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Inhaltsverzeichnis
Danksagung.................................................................................................. 6
1
Zusammenfassung................................................................................. 8
2
Einleitung............................................................................................. 12
2.1
Kulturgeschichtlicher Exkurs ......................................................... 12
2.2
Medizingeschichtlicher Rückblick .................................................. 13
2.3
Die psychischen und mentalen Anforderungen ............................. 14
2.4
Die Atmung: ein Werkzeug............................................................ 16
2.4.1
3
Stand des Wissens .............................................................................. 20
3.1
Beanspruchung durch mentale Arbeit ........................................... 20
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.2
3.3
Reaktionsgrundlage von Umweltreizen.............................................33
Die Atmung ................................................................................... 40
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
Regulation der Atmung .....................................................................41
Einflüsse auf die Ventilation und das Atemmuster............................46
Umwelteinflüsse, Stressoren.............................................................47
Mentale Arbeit ...................................................................................50
Emotionen .........................................................................................53
Methodik .............................................................................................. 60
4.1
Das Atemmuster ........................................................................... 60
4.1.1
4.1.2
4.2
Messmethoden..................................................................................63
Einfluss der Körperhaltung auf die Volumenerfassung .....................65
Experimentelle Untersuchung I: Einfluss von Positionswechsel..... 70
4.2.1
4.2.2
4.2.3
5
‚Belastungs-Beanspruchungs-Konzeption ........................................22
Auftrags-Auseinandersetzungskonzeption........................................23
Erfassung der Beanspruchung..........................................................30
Belastungen in der Arbeitswelt ...................................................... 33
3.2.1
4
Forschungsziel dieser Studie ............................................................17
Methodik:...........................................................................................72
Resultate ...........................................................................................73
Diskussion.........................................................................................76
Aufbau einer Atemmuster-Messumgebung .......................................... 82
5.1
Aufgabenstellung .......................................................................... 82
5.1.1
5.2
Messbedingungen.............................................................................82
Implementierung ........................................................................... 84
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5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.3
Ablauf eines Versuches ................................................................ 99
5.3.1
5.3.2
5.3.3
6
Übersicht ...........................................................................................84
RespiG – Virtual Instruments ............................................................84
Hinweise zur Implementierung..........................................................85
RespiG – Kalibrierung (LabView) ......................................................90
RespiG Cal (MATLAB) ......................................................................90
RespiG Conv (MATLAB) ...................................................................98
Interne Kalibrierung von RespiG .....................................................102
Kalibrierung von RespiG .................................................................102
RespiG – Atemmuster-Messungen (LabView) ................................103
Experiment II: Verschiedene mentale u/o motorische Aufgaben ........ 118
6.1
Einleitung.................................................................................... 118
6.2
Methodik..................................................................................... 120
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.3
Ergebnisse ................................................................................. 136
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.3.6
6.3.7
6.3.8
6.3.9
6.4
Überblick .........................................................................................120
Versuchspersonen ..........................................................................121
Gemessene Parameter ...................................................................122
Die verwendeten Geräte .................................................................123
Datenanalyse ..................................................................................132
Untersuchte Atemparameter ...........................................................136
Ergebnisse Atemparameter ............................................................136
Vergleich der Atemparameter während Test- und Pausen .............137
Unterschiede in der Atmung bei Männern und Frauen ...................138
Ergebnisse Herzfrequenz................................................................143
Ergebnisse Muskelaktivität..............................................................144
Subjektiven Einschätzungen ...........................................................146
Leistungsparameter ........................................................................148
Hypothesenprüfung.........................................................................148
Diskussion .................................................................................. 149
7 Experiment III: Einfluss von Gerüchen auf Atmung und mentale
Performance............................................................................................. 158
7.1
Fragestellung.............................................................................. 158
7.2
Methodik..................................................................................... 161
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.2.6
7.2.7
7.2.8
7.3
Versuchspersonen ..........................................................................161
Versuchsdesign und Sitzungsablauf ...............................................161
Apparatur ........................................................................................162
Geruchsschwellenbestimmung .......................................................163
Atemparameter ...............................................................................163
Mentale Aufgabe, Multi-Test ...........................................................163
Fragebogen .....................................................................................164
Datenanalyse ..................................................................................165
Resultate .................................................................................... 166
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7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.4
8
Versuchspersonen: .........................................................................166
Atemparameter ...............................................................................167
Performance....................................................................................175
Subjektive Einschätzung .................................................................179
Diskussion .................................................................................. 181
Experiment IV: Einfluss von induzierten Emotionen............................ 190
8.1
Aufgabestellung .......................................................................... 192
8.2
Methodik ..................................................................................... 193
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.2.4
8.2.5
8.2.6
8.2.7
8.2.8
8.3
Ergebnisse.................................................................................. 201
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.3.5
8.3.6
8.4
9
Versuchspersonen ..........................................................................193
Eysenck Personality Inventory ........................................................193
Die gezeigten Bilder ........................................................................194
Bestimmung der affektiven Antwort.................................................197
Messung der Atemparameter..........................................................198
Messung der Herzrate und der Hautleitfähigkeit.............................198
Ablauf einer Untersuchung..............................................................199
Daten Analyse und Statistik ............................................................199
Versuchspersonen ..........................................................................201
Subjektive affektive Einschätzung der Bildserien............................202
Atmung............................................................................................207
Affektiven Dimensionen und Atemparametern................................209
Herzrate und Hautleitfähigkeit.........................................................216
Affektiven Dimensionen und Herzrate und Hautleitfähigkeit ...........217
Diskussion .................................................................................. 219
Integration der Resultate in den Stand des heutigen Wissens ............ 228
9.1
Konzeption der mentalen Arbeit .................................................. 228
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
9.1.5
9.1.6
9.2
Aufwand und Aufmerksamkeit ........................................................229
Die Handlung und Handlungsausführung .......................................234
Aufgaben-Kombination und geteilte Aufmerksamkeit .....................236
Die Regulation.................................................................................241
Aufmerksamkeit als motivational gesteuerte Neuromodulation ......245
Fazit: ...............................................................................................249
Die Atmung ................................................................................. 249
9.2.1
9.2.2
Das Verhalten der Zeitparameter ....................................................250
Das Inspirationsvolumen (Vi) ..........................................................257
9.3
Methodik ..................................................................................... 261
9.4
Praktische Empfehlungen ........................................................... 262
9.5
Ausblick ...................................................................................... 263
10
Literaturnachweis ........................................................................... 266
11
Glossar........................................................................................... 286
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12
Verzeichniss der Tabellen .............................................................. 288
13
Verzeichniss der Abbildungen ........................................................ 291
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Danksagung
Als erstes möchte ich mich bei allen bedanken, die diese Arbeit überhaupt
ermöglicht und unterstützt haben. Bei meinem Mann, ohne dessen Ermutigung und Unterstützung diese Arbeit nie zustande gekommen wäre. Bei
meinen Kindern, die geduldig ihre gestresste Mutter ertrugen. Für die Freiheit einen ungewöhnlichen physiologischen Parameter, die Atmung, zu evaluieren, sowie die konzeptionellen Anregungen möchte ich Herrn Prof. Krueger danken.
Viele Teile dieser Arbeit sind im Rahmen von Diplomarbeiten entstanden.
Thomas Dübendorfer entwarf und programmierte die Atemmustererfassungs- und Auswertungsumgebung, die Kristof Pietrak weiterentwickelte.
Sirkka Manschke unternahm die ersten Gehversuche mit der äusseren Erfassung des Atemmusters. Denise Moser führte das Geruchsexperiment
durch, zusammen entdeckten wir die faszinierende Riech-Welt. Bei der
technischen Aufbereitung hat Tanja Vitale ihr Wissen und Können eingebracht. Felicitas Marbach evaluierte die Auswirkungen von verschiedenen
Aufgaben in ihrer höchst effizienten Arbeitsweise. Auch die Motorik Gruppe
am IHA unter der Leitung von Thomas Läubli, hat sich an diesem Versuch
beteiligt und Michael Schnoz wertete die EMG Daten aus. Ohne Patrick
Gomez wäre die Untersuchung mit den induzierten Emotionen nie zustande
gekommen, insbesondere sind seine Anstrengungen für eine adäquate
Auswertung zu verdanken. Dank gebührt auch den vielen Versuchspersonen, die an den Versuchen teilnahmen. Auch bei Urs Hinnen und Tamara
Sterchi möchte ich mich bedanken, sie haben dafür gesorgt, dass das
Nachdiplomstudium Arbeit + Gesundheit reibungslos lief.
Viele Gespräche und Diskussionen befruchteten diese Arbeit. Marco Baschera (Universität Zürich) eröffnete mir die Vorstellungen der homerischen
Griechen. James Walker (Sensory research, University of Florida) zwang
mich mit seinen bohrenden Fragen die Konzepte psychophysiologisch zu
fundieren. Terry Blumenthal (Wake Forest University, Winston-Salem) lenkte
meine Aufmerksamkeit auf die Aufmerksamkeit. Ellies Rubinstein (AAA
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Science), Michael Lebowitz (University of Arizona) und Theo Koller (IHA,
ETHZ) danke ich für ihr Interesse und die Unterstützung meiner Ideen.
Ich möchte an dieser Stelle auch meinen Eltern danken, die mir ein Studium
ermöglicht haben und mit Anteilnahme und Toleranz meinen Weg begleiteten. Nicht vergessen werden sollen auch meine Freunde, die dafür sorgten,
dass meine sozialen und sportlichen Kompetenzen nicht ganz verloren gingen, insbesondere Astrid Hollenstein, Barbara Flückiger und Daniel Künzle
(ZfW, ETHZ).
Mein Dank gilt auch allen Mitarbeitern des Institutes für Hygiene und Arbeitsphysiologie, gemeinsam erleben wir ein offenes, motivierendes und anregendes Arbeitsklima.
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1 Zusammenfassung
Mentale Aufgaben beinhalten eine Stimulus-Selektion, die Selektion eines
Aktionsprogramms, sowie die eigentliche Verrichtung und führen in Abhängigkeit von der Motivation, der Arbeitsweise und der notwendigen regulatorischen Vorgänge zur Beanspruchung des Arbeitenden. Diese Arbeit befasst
sich mit den zur Beanspruchung führenden Vorgängen sowie mit dem Verhalten der Atmung. Dazu wurde eine Atemmuster-Erfassungsumgebung und
eine Atmungskurven-Analytik entwickelt. Insgesamt wurden drei Hauptexperimente durchgeführt. Verschiedene Aufgaben mit unterschiedlichen kognitiven und motorischen Anteilen, wurden auch in bezug auf die subjektiv erfasste Beanspruchung und auf die Atmung untersucht. In einem weiteren
Experiment wurde der Einfluss von Störfaktoren, in diesem Fall von Gerüchen auf die Leistung und Atmung analysiert. Die Auswirkungen induzierter
Gefühle auf affektive Dimensionen und ihre Beziehung mit physiologischen
Parametern waren das Thema des letzten Experimentes. Zudem wurde der
Einfluss der Persönlichkeitsvariable Extraversion evaluiert.
Alle mentalen Aufgaben sind mit einer motorischen Verrichtung verbunden.
Es zeigte sich, dass die motorischen Anforderungen die Beanspruchung
stark beeinflussen. Die mit der Aufgabe verbundene motorische Verrichtung
ist Teil der Beanspruchung und kann nicht gesondert betrachtet werden. Die
motorische Umsetzung gehört vielmehr implizit zur Aktion und trägt unweigerlich zur Anspannung des arbeitenden Menschen bei. Arbeit ist als Kontinuum mit unterschiedlich variierenden Anteilen an kognitiven und motorischen Anforderungen zu verstehen. Unsere Untersuchungen bestätigen,
dass externe Störfaktoren - hier Gerüche - die mentale Leistung beeinträchtigen und zwar in Abhängigkeit ihrer affektiven Bedeutung. Störfaktoren mit
affektiver Bedeutung stellen unser inneres Aufgabenleistungs-Ziel in Frage
und lösen infolgedessen eine Tätigkeitsregulation aus.
Die gefundenen Ergebnisse werden, zusammen mit der zugrunde liegenden
Auftrags-Auseinandersetzungs-Konzeption der mentalen Arbeit in ein Aufmerksamkeitskonzept integriert und diskutiert. Das Individuum investiert gemäss seiner Motivation, die aus dem Match-Missmatch-Verhältnis zwischen
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Langzeitzielen und aktuellen Gegebenheiten resultiert, Aufmerksamkeit in
die Aufgabe. Aufmerksamkeit wird als Neuromodulation verstanden. Die
Aufmerksamkeit bewirkt eine Aktivierung der notwendigen kortikalen Felder,
wobei äussere Stimuli notwendig sind um diese Aktivierung genau zu adjustieren. Umweltstimuli, die in sich eine affektive motivationale Bedeutung haben, können eine interferierende Orientierungsantwort erzwingen und die
Aufmerksamkeit umlenken. Die Tätigkeitsregulation verlangt einen Wechsel
von Aktionsprogrammen, also implizit eine Verlagerung oder Neuadjustierung der Aufmerksamkeit. Die primär investierte Aufmerksamkeit zusammen
mit der Aufmerksamkeitsregulation führt zur Beanspruchung.
Die Atmung erwies sich als hoch sensitiver physiologischer Parameter, der
sowohl mit objektiven Anforderungen (Motorik) wie auch mit subjektiven Befindlichkeitseinschätzungen in Beziehung stand. In den verschiedenen Versuchen stiessen wir immer wieder auf einen klaren, konsistenten Zusammenhang zwischen der Einatmungsdauer und der Erregung. Gemäss
Easterbrook korreliert die Merkmalselektion mit der Erregung. Auch die Abnahme der Einatmungszeit sofort nach dem Beginn der Exposition zu übelriechenden Gerüchen bestätigen den Zusammenhang zwischen Ti und der
Merkmalselektion und -Verarbeitung. Der vorgefundene Shift in der Beziehung zwischen der Einatmungszeit und dem Arousal bei den Extravertierten
untermauert zusätzlich, dass die Einatmungszeit eine Funktion der Aufmerksamkeit und insbesondere der Merkmalselektion darstellt und demonstriert
den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf die Stimulus-ReaktionsBeziehung. Die Einatmungszeit wird als Funktion der motivationalen Aufmerksamkeit verkürzt oder verlängert und beeinflusst dadurch insbesondere
die zeitliche Reizauflösung.
Das Inspirationsvolumen zeigte Beziehungen mit der Anspannung aufgabeirrelevanter Muskulatur, mit der Beanspruchung sowie mit der affektiven Dimension Valenz. Auch wenn das Inspirationsvolumen noch nicht im Detail
verstanden wird, weisen die Befunde darauf hin, dass das Inspirationsvolumen den situationalen metabolischen Bedarf repräsentiert. Dieser setzt sich
aus motorischen, emotionalen und aufmerksamkeitsregulatorischen Anteilen
zusammen.
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Auch praktische Empfehlungen insbesondere auf der Ebene der Aufgabengestaltung werden aus den Experimenten abgeleitet.
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2 Einleitung
Cette question du souffle est en effet primordiale, elle est en rapport inverse avec
l’importance du jeu extérieur. Aus: Antonin Artaud 1964: Le théatre et son double
2.1 Kulturgeschichtlicher Exkurs
Der eigentlichen Thematik dieser Forschungsarbeit möchte ich einen kurzen
geschichtlichen Exkurs vorausschicken, da mir dies wichtig erscheint, um
unsere Untersuchungen in einen grösseren Zusammenhang zu stellen.
Bekanntlich hat das Menschen- und Lebensbild der Griechen unser europäisches Denken wesentlich geprägt. Atem bedeutet für die Griechen zur Zeit
Homers in erster Linie Bewusstsein. Bewusstsein beinhaltet für sie Fühlen,
Wahrnehmen, Denken sowie auch die Vorbereitung zum Handeln. Sterben
wird dadurch gekennzeichnet, dass der Atem den Körper definitiv verlässt.
Der Tote im Reich des Hades hat keinen Atem, kein Bewusstsein mehr, obwohl er als ’Person’ weiterhin existiert. Denken wird unmittelbar mit dem Atemvorgang verknüpft, denn das Sprechen und somit auch das Atmen dient
dem Ausdruck der Gedanken. Selbst die Wahrnehmungsvorgänge werden
dem Atmungstrakt zugeschrieben. Die Wahrnehmung unserer Umwelt, ja
das eigene Bewusstsein, ist nach griechisch-antiker Vorstellung aufs Engste
mit der Atmung verknüpft. Nicht aber die unsterbliche Seite des Menschen,
die Seele, sein eigentliches Wesen. Dieses wird mit dem Hirn, dem Samen,
dem Rückenmark und den langen Knochen in Verbindung gebracht (Onians
1951).
Als Nachfolger der Griechen entwickeln die Römern v.a. die immortalen Ansätze dieses Lebensbildes weiter. Die Bedeutung des Atems als Träger des
Bewusstseins verliert jedoch allmählich seine ursprüngliche Klarheit. Der
Dualismus von Bewusstsein einerseits (Atmen) und Seele/Wesen andererI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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seits (Kopf/Hirn) verändert sich seit den Römern langsam und mündet
schliesslich in den heutigen Dualismus von Körper und Geist. Doch sind Relikte der ursprünglichen Vorstellung von Atmung als Ausdruck von Wahrnehmung und Bewusstsein in unserem heutigen Sprachgebrauch durchaus
noch enthalten. Man denke an Wendungen wie ‚einen langen Atem haben‘
im Sinne von: ein langes Leben haben, ausdauernd sein oder an Ausdrücke
wie soufflieren für einflüstern, bei denen die Konnotationen zur dieser Vorstellung durchaus noch mitschwingen.
2.2 Medizingeschichtlicher Rückblick
Anfangs des 19 Jahrhunderts wurden erstmals Atemmuster als diagnostisches Kriterium beschrieben: die periodische Cheyne-Stokes-Atmung von
den irischen Ärzten Cheyne und Stoke und etwas später die Kussmaulsche
Atmung von Kussmaul in Strassburg. Bereits um 1905 erkannte Haldane die
Symptome und Folgen der Hyperventilation.
Die Geschichte der Atemmuster Forschung im modernen naturwissenschaftlichen Sinne setzte anfangs des 20. Jahrhunderts ein. Die ersten eigentlichen wissenschaftlichen Untersuchungen befassten sich v.a. mit der Beziehung zwischen Atmung und Emotionen, wobei davon ausgegangen wurde,
dass verschiedene Emotionen durch unterschiedliche Atemantworten gekennzeichnet seien (Feleky 1914, Rehwoldt 1911). Diese Hypothesen wurden in den 80er Jahren wieder aufgenommen (Santibanez und Bloch 1986,
Bloch et al 1991, Boiten 1998). In den 70er Jahren entstanden v.a. wegweisende Arbeiten über die Regulation des Atemzyklus und die Interaktionen
zwischen dem zentralen Inspirations-Drive und den Zeitkomponenten (Clark
und von Euler 1972, Milic-Emili und Grunstein 1976, von Euler 1977, Bradley
1977, Milic-Emili et al 1981). Als grundlegend für die Entwicklung der neueren Erfassungsmethoden gilt das Lungenkompartimentsmodell von Konno
und Mead (1967). Die Atemmustererfassung als psychophysiologischer Parameter setzte in den 80er Jahren ein, nachdem bereits in den späten 70er
Jahren
nicht-invasive
Erfassungsmethoden entwickelt
worden
waren
(Sackner 1980, Chadha et al 1982).
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Zu den ältesten Forschungsthemen der Arbeitspsychologie und der Arbeitswissenschaften ist die mentale Belastungs-Beanspruchungsforschung zu
zählen. Schon 1902 unternahm Kraeplin den Versuch, die geistige Leistungsfähigkeit psychiatrisch zu beurteilen. Im Zuge der Industrialisierung
untersuchte man das Arbeitszeitregime und entwickelte Gestaltungsvorschläge zur Verhinderung von Ermüdungserscheinungen (Thorndike, 1900,
Poffenberger 1928, Graf 1922). Mit der Rationalisierung geistiger Arbeit
durch den Computer und der damit einhergehenden Abnahme der körperlichen Belastung hat sich das Interesse an der psycho-mentalen BelastungsBeanspruchungsforschung noch verstärkt. Dies spiegelt sich u.a. in der sog.
„Maschinen-Richtlinie“im EG-Vertrag 1989/91 (Artikel 100a). Darin steht: Es
müssen Belästigung, Ermüdung und psychische Belastung (Stress) des Bedienpersonals unter Berücksichtigung ergonomischer Prinzipien auf das
mögliche Mindestmass reduziert werden. International wird der Ausschluss
gesundheitlicher Gefährdungen durch mangelhafte Arbeitsgestaltung, durch
Ermüdung und Monotonie gefordert. Die Internationale Normenvereinigung
ISO
ihrerseits
ist
bemüht
Kernbegriffe
der
Belastungs-
Beanspruchungsforschung und Vermeidungsmöglichkeiten von Fehlbelastungen, Monotonie, Sättigung und reduzierter Aufmerksamkeit zu standardisieren (ISO 10075-1,2; Nachreiner 1994).
2.3 Die psychischen und mentalen Anforderungen
Die Arbeit und ihre Anforderungen an den arbeitenden Menschen haben
sich in den letzten 40 Jahren fundamental verändert. Die körperlichen Anforderungen traten mehr und mehr in den Hintergrund, auch wenn sie in gewissen Berufssparten – wie in der Bau-, Land-, und Hauswirtschaft oder auch in
den Pflegeberufen - immer noch dominant sind und es wohl auch künftig
sein werden. In den Vordergrund traten statt dessen zusehends mentale und
psychische Anforderungen – ein Trend, der sich mit zunehmender Entwicklung des Informations- und Kommunikationszeitalters noch verstärken dürfte.
Die modernen Arbeitsformen stellen hauptsächlich an die Aufmerksamkeit,
das Gedächtnis, die mentale Konzentration, die Lernfähigkeit sowie an die
Wahrnehmung und Reaktionsfähigkeit des Menschen erhöhte AnforderunI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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gen. Es erstaunt daher nicht, dass immer mehr arbeitsbedingte psychomentale Krankheitszustände diagnostiziert werden wie etwa das Burn-outoder das Chronic Fatigue-Syndrom. Tatsächlich lassen sich immer mehr
Krankheitszustände mit psycho-mentalen Anforderungen im Beruf assoziieren; doch stimme ich mit Scheuch (1997) überein, der es für falsch hält die
psycho-mentalen Anforderungen per se als krankmachend zu verteufeln.
Denn der Mensch braucht immer wieder neue, erhöhte Anforderungen um
zu lernen, um neue Verhaltensweisen und Einstellungen zu entwickeln. Unsere psycho-mentalen Leistungsgrenzen sind noch längst nicht ausgelotet
und verschieben sich im Verlaufe unserer aktiven individuellen Lebenszeit,
aber auch von Generation zu Generation durch vermehrte, frühe, schon im
Kindesalter gestellte Anforderungen.
Immer mehr Arbeitnehmer klagen über andauernden beruflichen Stress und
sehen darin eine Gefährdung für ihre Gesundheit (z.B. Marstedt et al 1993,
CH-Stress Studie 2000). Zweifelsohne führt die informations- und kommunikations-technologische Revolution zu immer neuen, teils auch höheren psycho-mentalen Anforderungen und persönlichen Unsicherheiten und – bei
andauernder Überforderung - auch zu vermehrten effektiven und potentiellen Gesundheitsgefährdungen bei den betroffenen Menschen. Die Erforschung der Zusammenhänge zwischen den Arbeitsanforderungen einerseits
und den Gesundheitsgefährdungen andererseits sowie die aus den gewonnenen Erkenntnissen aufgebaute Prävention war und ist das Kerngebiet der
Arbeitsmedizin. Die Erforschung der mit den modernen Arbeitsformen verbundenen psycho-mentalen Anforderungen stellt ein wichtiges Anliegen der
aktuellen Arbeitsmedizin dar. Dabei geht es primär darum potentielle Gefährdungen zu erkennen, einzuschätzen und wirksame Präventivmassnahmen zu entwickeln. Eine wichtige Voraussetzung hierfür sind geeignete Parameter, die es ermöglichen, die individuelle psycho-mentale Arbeitsbelastung so zuverlässig wie möglich zu messen.
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2.4 Die Atmung: ein Werkzeug
Wir atmen um Sauerstoff aufzunehmen und Kohlendioxid abzugeben; ein -aus, ein - aus, unser ganzes Leben lang. Atmen ist absolut lebensnotwendig. Über die Atmung stehen wir auch in dauerndem Kontakt mit unserer
Umwelt und nehmen aus der Luft ausser dem Sauerstoff auch Informationen
sowie Stoffe auf.
Der Atem ist auch ein unabdingbares Werkzeug, indem er unsere Stimmbänder zum Klingen bringt und uns dadurch die wichtigste zwischenmenschliche Kommunikationsweise ermöglicht: das Sprechen und Singen. Asiatische Meditationstechniken setzen den Atem als Medium zur Kommunikation
des Menschen mit seinem ‚inneren Selbst’ ein oder um den jeweiligen mentalen Zustand zu verändern. Die Atmung ist eng mit unserer Gefühlswelt
verknüpft. Dies zeigt sich u.a. darin, dass erlebte Gefühle häufig über den
Atem ausgedrückt werden, was sich sprachlich niederschlägt in Wendungen
wie: ‚es verschlug mir den Atem‘, ‚sein Atem geriet ins Stocken‘, ‚zu Atem
kommen‘ oder auch ‚atemraubend‘. In der Stummfilmzeit setzten die Schauspieler übertriebene Formen des Atmens ein um bestimmte Gefühle zum
Ausdruck zu bringen. In unserem Erleben sind also Atmen und Fühlen eng
miteinander verknüpft. So können wir uns durch tiefes langsames Atmen
beruhigen und dadurch bewusst in unsere Emotionen eingreifen.
Wir sind fähig unseren Atmen willentlich zu steuern. Bei Perlentauchern
wurde sogar beobachtet, dass sie im Stande sind ihren Atem um einiges
länger anzuhalten, als dies unser physiologisches Verständnis wahrhaben
will. Das bedeutet, dass die Atmung eine äusserst grosse Regulationsbreite
aufweist, trotz ihrer Wichtigkeit für unseren Organismus. Doch nicht nur die
Willenskraft, auch andere mentale Eigenschaften oder Vorgänge werden mit
dem Atmen in Verbindung gebracht. So ‚hält uns etwas in Atem’ oder ein
anderer hat ‚einen langen Atem‘, also viel Durchhaltevermögen, Geduld.
Diese verschiedenen Funktionen des Atems spiegeln sich auch in den dabei
sich abspielenden äusserst vielschichtigen Regulationsvorgängen wider:
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den metabolischen und nervalen Regelkreisen sowie den Einflüssen des
vegetativen Nervensystems und des Grosshirns auf den Rhythmusgenerator
in der Medulla oblongata.
Bei der Atmung handelt es sich um das Organsystem, das zwar autonom
geregelt wird, in das wir aber dennoch bewusst eingreifen können. Dazu
Wientjes und Grossmann (1998): It is precisely the close coupling between
lower- and higher-order control aspects that makes the respiratory system
appealing to those interested in the convergence of physiological and psychological processes.
2.4.1 Forschungsziel dieser Studie
Da die Atmung offensichtlich ein fein abgestimmtes Instrument darstellt, so
ist anzunehmen, dass uns das Atmen auch Aufschluss über unsere Reaktionen auf Umweltanforderungen gibt, sei es im stofflichen, aber auch im psycho-mentalen sowie im emotionalen Sinne. Das Ziel dieser Forschungsarbeit
besteht darin, die psycho-mentalen Anforderungen und Beanspruchungen
des arbeitenden Menschen mit Hilfe seines Atmens und seiner Atemantworten zu erkunden, zu beschreiben und letztlich besser zu verstehen. Dabei
werden selbstverständlich die in der Literatur bereits dokumentierten Theorien und Forschungsergebnisse miteinbezogen, doch basiert diese Arbeit
primär auf zahlreichen eigenen Experimenten, die spezifisch zu diesem
Zwecke am Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie der ETH Zürich unter
Mithilfe von Studenten, Diplomanden und Mitarbeitern entwickelt und durchgeführt wurden.
Es geht in dieser Arbeit um die Erforschung der momentanen Beanspruchung während mentaler Aufgaben im ‚Labor’. Ob dadurch Belastung im
Sinne von ‚Stress’ entsteht ist nicht Gegenstand dieser Arbeit. Der erste Teil
der Arbeit umfasst einen kurzen Überblick über die Konzeption mentaler Arbeit, sowie der Atmung und über die, sie beeinflussenden Faktoren. Die erste Untersuchung befasst sich mit der Methodik und Validierung der AtemI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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mustererfassung und zeigt recht eindrücklich die Schwierigkeiten und Grenzen der äusseren Atemmustererfassung. Aus diesen Erfahrungen heraus
wurde eine Atemmustermessumgebung und Auswertung entwickelt, genannt
RespiG. Das RespiG wird vorgestellt und alle folgenden Versuche wurden
damit durchgeführt. Mentale Arbeit zeichnet sich einerseits durch kognitive
Anforderungen, andererseits aber auch durch die motorischen Anforderungen der benötigten Handlung aus. Die Auswirkungen verschiedener kognitiver und/oder motorischer Anforderungen auf die motorische Anspannung,
Atmung und auf die Herzrate wurde im Experiment 2 untersucht und mit den
subjektiven Beanspruchungseinschätzungen verglichen. Die Umwelt wirkt
dauernd auf uns ein. Die Auswirkungen eines Umweltstressors während
mentaler Arbeit auf die Leistung und die Befindlichkeit der Arbeitenden ist
das Thema des 3. Experimentes. Die letzte Untersuchung befasst sich mit
den Auswirkungen induzierter Emotionen auf die subjektive Einschätzung in
drei Emotionsdimensionen, sowie auf verschiedene physiologische Parameter. Jedes Experiment wird separat diskutiert. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit werden die Befunde in den Rahmen bestehender Konzepte und
Theorien eingeordnet und interpretiert.
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3 Stand des Wissens
Vorerst wird der heutige Wissenstand hinsichtlich der Beanspruchung durch
mentale Arbeit und danach separat in Hinblick auf die Atmung dargelegt.
Dies weil einerseits noch sehr wenige Studien die Beanspruchung durch
mentale Arbeit über die Atmung zu erfassen versuchten, andererseits wäre
es unmöglich, das gesamte Wissen über die Beanspruchung durch mentale
Arbeit und deren Beeinflussung hier aufzurollen. Daher konzentriere ich
mich, was die mentale Arbeit anbelangt, auf die heute geltenden Konzeptionen. Im Kapitel über die Atmung, insbesondere über deren Beeinflussung,
wird der heutige Wissensstand so umfassend wie möglich dargelegt.
3.1 Beanspruchung durch mentale Arbeit
In den folgenden Ausführungen steht die Beanspruchung des Individuums
durch mentale Arbeit im Vordergrund und nur am Rande dem häufig damit
assoziierten Stress1. Es geht darum die Konzepte der mentalen Arbeit und
deren Ablauf unter „normalen“ Bedingungen zu verstehen und wissenschaftlich darzulegen.
Zur Konkretisierung stellen wir uns eine mentale Aufgabe vor, etwa den Multi-Test, der in unseren Experimenten mehrmals zum Einsatz kam und sich
aus drei verschiedenen Aufgaben zusammensetzt.
•
Die erste Aufgabe besteht darin, mittels eines Stiftes auf der elektronischen Tischoberfläche einem sich auf der Bildschirmoberfläche bewegenden Punkt nachzufahren. Dabei sollte der Abstand zwischen dem
Cursor und dem sich bewegenden Punkt möglichst klein sein.
1
Gemäss ISO 10075: psychische Belastung (stress): Gesamtheit aller erfassbaren Einflüsse, die von aussen auf den Menschen zukommen und psychisch auf ihn einwirken. Psychische Beanspruchung (strain): zeitlich unmittelbare Auswirkung der psychischen Belastung auf die Einzelperson in Abhängigkeit von ihren eigenen habituellen und augenblicklichen Voraussetzungen einschliesslich der individuellen Auseinandersetzungsstrategien.
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•
- 21 -
Bei der zweiten Aufgabe handelt es sich um einen Gedächtnistest. In der
Mitte des Bildschirmes leuchten in zufälliger Reihenfolge farbige Kreisflächen auf - z.B. rot, rot, grün, rot, blau. Unmittelbar nachdem eine vollständige Sequenz der drei Farben rot, grün und blau erschienen ist,
muss eine Taste gedrückt werden.
•
Die dritte Aufgabe ist ein peripherer Reaktionstest: In den vier Ecken des
Bildschirmes drehen sich nicht vollständig geschlossene Kreise, einzeln
und zufällig. Jedes Mal, wenn sich ein Kreis gedreht hat, muss eine Taste gedrückt werden (und zwar nicht dieselbe wie vorher).
Dieser Multitest ist eine recht anspruchsvolle mentale Aufgabe, gekoppelt
mit einem motorischen Output. Dabei werden verschiedene kognitive oder
sensumotorische Verrichtungen parallel reguliert, entweder streng gleichzeitig oder in kurzfristigem Wechsel. Derartige Überlappungen kognitivmanueller, kognitiv-kognitiver und manuell-manueller Verrichtungen sind
nicht die Ausnahme, sondern die Regel und werden als Mehrfachverrichtungen bezeichnet (Richter und Hacker 1998). Solche Aufgaben können die
meisten Menschen unter normalen Umständen ohne grosse Probleme ausführen. Die einen erzielen bessere Resultate als die anderen, die Stabilität
der Resultate einer Person ist erstaunlich hoch.
Nehmen wir nun an, die arbeitende Person hat eine durchwachte Nacht hinter sich. Dann wäre zu erwarten, dass sich ihre Leistung verschlechtert. Das
kann, aber muss nicht der Fall sein. Womöglich „kneift sie sich in den Hintern“, das heisst, sie strengt sich mehr an um eine gleich gute Leistung zu
erbringen – nämlich durch eine Aufwandsteigerung oder einen speziellen
mentalen Effort. Der betreffenden Person steht es aber auch offen ihren Anspruch an die eigene Leistung herabzusetzen, was natürlich - infolge der
Anspruchsniveau-Senkung - zu einer Verschlechterung ihrer Leistung führt.
Ferner kann sie sich bei einer Mehrfachverrichtung dafür entscheiden eine
der Verrichtungen nicht mehr zu erfüllen und sich statt dessen nur noch auf
die anderen beiden zu konzentrieren. Damit ist die ursprüngliche Aufgabe
neu definiert. Eine gestellte Aufgabe wird a priori vom die Aufgabe Übernehmenden neu definiert.
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Das folgende Beispiel soll dies illustrieren. Ein einfacher Arbeiter, der sich an
einer Untersuchung über Lösungsmitteleffekte beteiligte, konzentrierte sich,
nachdem er den peripheren Reaktionstest begriffen hatte, nur noch auf diesen Test. Er liess das Tracking sowie den Gedächtnistest einfach ausser
Acht, hatte also den Auftrag für sich neu definiert. Unter Umständen verändert die Person aber auch ihre Arbeitsweise; dies erleben wir, wenn eine
Aufgabe neu erlernt wird. An diesen einfachen Beispielen wird deutlich, dass
bei der Bewältigung einer Aufgabe oder Tätigkeit verschiedene Rückkoppelungen beteiligt sind. Um mentale Arbeit und ihre Auswirkungen verstehen
und beschreiben zu können benötigen wir ein Konzept, dass diese Rückkoppelungen integriert.
3.1.1 ‚Belastungs-Beanspruchungs-Konzeption
Diese klassische Ursachen-Wirkungs-Beziehung geht davon aus, dass objektiv erfassbare Belastungen aus Arbeitsaufgaben und Umgebungsbedingungen den arbeitenden Menschen individuell beanspruchen. Unter psychischer Beanspruchung ist das Inanspruchnehmen psychischer Leistungsressourcen beim Ausführen von Arbeitstätigkeiten zum Erfüllen von Arbeitsaufgaben zu verstehen. Dabei werden die Erfüllungsbedingungen, die individuellen antriebs- und ausführungsregulatorischen sowie die körperlichen Leistungsvoraussetzungen als gegeben vorausgesetzt. Die organistischen Ressourcen werden als unveränderlich angenommen und können daher überfordert oder unterfordert werden.
In diesem Konzept werden allerdings die vielfältigen Wechselbeziehungen
zwischen dem Individuum und seinem Auftrag unterschätzt. Dementsprechend ist es stets die re-definierte Aufgabe (Hackman und Oldham 1975),
die Beanspruchungsfolgen hervorruft, wobei die Bewältigung über die regulativen Veränderungen in der Arbeitsweise erfolgt. Daher können objektiv
gleiche Aufträge in Abhängigkeit von der gewählten Strategie zu unterschiedlichen Leistungen mit unterschiedlichen Beanspruchungen führen,
vorausgesetzt dass die Ausführungsweise einen gewissen Spielraum zulässt. Aus unterschiedlichen Arbeitsweisen können aber auch gleiche Leistungen hervorgehen, die jedoch mit unterschiedlichen Beanspruchungen
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verbunden sind. In der heutigen Theorie der Arbeitswissenschaften ist die
eindimensionale Konzeption der Belastung-Beanspruchung überwunden
(Rohmert 1984, Luczak 1993).
3.1.2 Auftrags-Auseinandersetzungskonzeption
Bei der Auftrags-Auseinandersetzungs-Konzeption handelt es sich insofern
um eine Weiterentwicklung, als sie die Schwachstellen der BelastungsBeanspruchungs-Konzeption behebt, indem sie die aktive Auseinandersetzung mit dem Auftrag und die Stabilisierungsmöglichkeiten der Tätigkeitsregulation zur Bewältigung der Aufgabe mit einbezieht. Zudem konzentriert
sich die Belastungs-Beanspruchungs-Konzeption – im Gegensatz zur Auftrags-Auseinandersetzungskonzeption - auf die negativen Beanspruchungsfolgen und unterschätzt dabei die positiven Effekte. Hohe Anforderungen
können nämlich gerade so gut Hinzulernen und Fitness wie Entmutigung
oder Erschöpfung erzeugen, je nach den vorgegebenen Bedingungen, insbesondere den organisatorischen, sozialen und personellen Ressourcen
(Karasek und Theorell, 1990, Kap.2). Im Sinne eines modernen Gesundheitsverständnisses ist die gesundheitsentwickelnde Rolle fördernder Aktivitäten zu berücksichtigen. Ohne Beanspruchung und nennenswerte Ermüdung entstehen nämlich gar keine Trainingseffekte!
Die Auftrags-Auseinandersetzungs-Konzeption analysiert die komplexen
Veränderungen anlässlich der Auseinandersetzung des arbeitenden Menschen mit seinem Auftrag. Dabei berücksichtigt sie auch die Art und Weise
der Auseinandersetzung - also das Erleben, Befinden und Verhalten des
Arbeitenden - als wichtige Beanspruchungsindikatoren und findet dadurch
einen angemesseneren Zugang zu den Folgen heutiger geistiger Arbeit
(Büssing
1992,
Hacker
1996).
Die
Auftrags-Auseinandersetzungs-
Konzeption versucht die Beanspruchungsanzeichen im Erleben, beim Verhalten, bei der Leistung und in psychophysiologischen Abläufen zu erkennen
und Verschiebungen im Geflecht der subjektiven und objektiven Daten zu
interpretieren.
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Kernpunkte der Auftrags-Auseinandersetzungs-Konzeption (nach Richter
und Hacker 1998):
1. Beanspruchungsfolgen entstehen aus den Beziehungen zwischen
-
den Anforderungen des Auftrages und seinen Ausführungsbedingungen einerseits und den Leistungsvoraussetzungen des Arbeitenden andererseits
sowie
-
dem zu übernehmenden Auftrag und den Zielen/Werten des Arbeitenden.
2. Veränderungen der Regulation sind abhängig von den emotionalen und kognitiven
Bewertungen des Arbeitenden zu den unter Punkt 1 erwähnten Beziehungen.
3. Beanspruchungsfolgen entstehen in der Regulation von Tätigkeiten, verändern diese Regulation und äussern sich in ihr als einer aktiven, zielgerichteten Auseinandersetzung mit Aufträgen/Aufgaben.
4. Die Auseinandersetzung wird bei gegebenem Tätigkeitsspielraum beeinflusst durch
die Arbeitsweisen, welche die Beanspruchungsentstehung mitbestimmen.
5. Die Auseinandersetzung mit der Aufgabe verläuft in einer zyklischen Abfolge von
Destabilisierungen und Restabilisierungsbemühungen. Die Destabilisierung enthält
einerseits beanspruchungsbedingt ablaufende reflektorische Anteile und andererseits zielgerichtete, zum Zwecke der Restabilisierung eingesetzte, kostenpflichtige
Anteile.
6. Die aktiven Regulationsveränderungen zur Restabilisierung treten auf als:
-
Aufwandssteigerung durch Einbezug zusätzlicher Vorgänge: spezifischer
Art (wie reaktive Anspannungssteigerung) oder durch unspezifische allgemeine Aktivierung
-
Zielverschiebung bzw. Anspruchsniveau-Änderung bis hin zum Ausweichen
mit der möglichen Folge einer vergrösserten Ziel-Motiv-Diskrepanz
-
Änderungen in der Arbeitsweise
7. Die Regulationsveränderungen erfolgen in der Regel vorwegnehmend, d.h. als ziel/aufwandsbezogene Vorausregulation und selten nur als Rückkoppelung.
Die aktiven Regulationsveränderungen zur Restabilisierung sind kostenpflichtig; das bedeutet, energetisch betrachtet bezahlt der Arbeitende sozu-
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- 25 -
sagen einen Preis dafür. Wir müssen also diese „Kosten“ genauer anschauen und der Frage nachgehen, wie sie „bezahlt“ werden.
3.1.2.1 Mentale Kapazität
Um die erwähnten Kosten zu eruieren wurde der Versuch unternommen,
psychische Beanspruchung als Ausmass der beanspruchten mentalen Kapazität oder der mentalen Ressourcen, also sog. RessourcenvolumenKonzepte oder Ressourcenallokations-Konzepte (Kahnemann 1973, Wieland-Eckelmann 1992) zu beschreiben. Diese Konzepte gehen davon aus,
dass der Mensch über einen Satz voneinander relativ unabhängiger Verarbeitungsressourcen verfügt. Dabei hängt die Verarbeitung davon ab, ob eine
bereits gebrauchte Ressource in Anspruch genommen wird oder ob eine
bisher nicht in Anspruch genommene andere Ressource benötigt wird. Ferner ist zu berücksichtigen, ob die Inanspruchnahme nacheinander oder
gleichzeitig erfolgt (Gopher und Donchin 1986, Wickens 1986, Welford
1978). Das praktische Vorgehen besteht darin, mittels der Doppeltätigkeitsmethode die von einer Aufgabe nicht benötigte mentale Kapazität empirisch
zu ermitteln: Je mehr in einer zusätzlichen Tätigkeit bei gleichzeitigem Ausführen der Haupttätigkeit geleistet werden kann, desto geringer ist die psychische Beanspruchung durch die Haupttätigkeit. Dabei werden jedoch folgende Annahmen getroffen: Erstens die Verarbeitungskapazität sei begrenzt
und aufgabenunabhängig. Zweitens nehme mit zunehmender Inanspruchnahme der Kapazität durch die Haupttätigkeit das Ausführungstempo oder
die Leistung in der Zusatzaufgabe ab. Eine interessante Mängeldiskussion
dazu findet sich bei Richter und Hacker (1998, Kap 3.3).
3.1.2.2 Relativität des Leistungsziels
Aus der Sicht des Arbeitenden sind Aufgabenziele primär von extern aufgezwungene Ziele, die ihn dazu nötigen sein Verhalten - meist über eine kurze
Zeitperiode - auf das Erreichen eines Ziel-Outputs zu richten. Das setzt voraus, dass der Arbeitende kooperiert und dass er motiviert ist das vorgegebene Ziel zu internalisieren und aufrechtzuerhalten. Allerdings wird manchmal dabei vergessen, dass die Entscheidung eine kognitive Aufgabe zu erfüllen auf Kosten anderer Verhaltensmöglichkeiten geht (Hockey 1997). Lesen, Planen, Fernsehen oder biologische Bedürfnisse wie Essen, Trinken
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oder Ausruhen stellen solche Möglichkeiten dar. Diese dürften persönlich
relevanter sein als die von externer Seite vorgegebene Zielerfüllung. Da das
Aushalten eines Efforts fordernden Zustandes in der Regel als schwierig und
subjektiv aversiv empfunden wird (Kahnemann 1973), steht die Ausübung
einer fordernden mentalen Aufgabe im Konflikt mit dem allgemeinen emotionalen Ziel das persönliche Wohlbefinden aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz
zum extern vorgegebenen Aufgabenziel, welches das Tätigkeitsverhalten
bestimmt, wird das Aufrechterhalten des Wohlbefindens durch das mächtige,
Selbsterhaltungs- Motivierungssystem bestimmt. Doch ist der Mensch bei
der Erfüllung mentaler Aufgaben bezeichnenderweise hoch zuverlässig und
resistent gegenüber Ablenkungen (Kahnemann 1973). Das bedeutet, dass
das Aufrechterhalten des Aufgabenziels entsprechenden Schutz erfordert,
Hockey (1997) nennt ihn: performance protection. Dieser Schutz muss kontinuierlich aktiviert werden um der drohenden Unterbrechung durch konkurrierende biologische und motivationale Ziele begegnen zu können.
3.1.2.3 Mentaler Effort
Wie oben dargestellt sind die Modelle geistiger Arbeit, wenn sie den biologischen Kontext des Verhaltens ausschliessen, nicht im Stande adäquate Erklärungen für die Beanspruchungsfolgen mentaler Arbeit zu liefern. Für die
Theorieentwicklung über bio-physiologische Regulationsprozesse und deren
Integration in die Verhaltenssteuerung ist die Erfassung des „biologischen
Aufwandes“ erforderlich um die „Kosten“ der Tätigkeitsregulation in unterschiedlichen Situationen bewerten zu können. Dabei kommt der Erfassung
emotionaler Prozesse bei der Interpretation von Zusammenhängen zwischen kognitiven Anforderungen und physiologischen Aktivierungsvorgängen sowie deren mittelbaren Auswirkungen auf das Verfolgen von Handlungszielen eine entscheidende Bedeutung zu (Hockey 1997).
Hockey (1997) geht von der Annahme aus, dass ein RessourcenManagement-System existiert. Dieses verschiebt energetische Ressourcen,
kontrolliert sie und setzt sie strategisch ein. Seinem Modell liegen folgende
Annahmen zu Grunde:
1. Das Verhalten des Arbeitenden ist zielorientiert.
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2. Bei der Kontrolle der Zielvorgaben handelt es sich um einen sich
selbst regulierenden Prozess.
3. Die regulatorische Aktivität verursacht Kosten, die zu Lasten anderer
Systeme gehen.
Hockey geht also wie andere Motivations-Kontroll-Modelle (Carver und
Scheier 1982, Schönpflug 1983) davon aus, dass die Kontrolle einen selbst
regulierenden Charakter aufweist, indem das Verhalten mit einem internen
Standard verglichen und entsprechend modifiziert wird, so dass zweckdienliches Verhalten gefördert und das aktuelle Ziel aufrechterhalten werden
kann.
Das Aufrechterhalten der Leistungs-Stabilität unter hohen Anforderungen
stellt einen aktiven Prozess unter der Kontrolle des Individuums dar. Dieser
Prozess erfordert die Mobilisierung kognitiver Ressourcen; mentaler Effort.
Das Management des mentalen Efforts erlaubt dem Individuum die Effektivität seines Tätigkeitsverhaltens in Bezug auf konkurrierende Ziele zu kontrollieren, das bedeutet Anforderungen zu verändern und die Stufe der energetischen Ressourcen zu modulieren. Zudem ermöglicht es dem Individuum
eine „Performance Protection“-Strategie anzunehmen um Aufgabenziele mit
hoher Priorität aufrechtzuerhalten, indem es Extrakosten auf sich nimmt.
Oder als zweite Möglichkeit eine Reduzierung der Leistung in Kauf zu nehmen, was ihm keine zusätzlichen Kosten abverlangt, aber nicht mehr im Einklang mit der ‚Performance Protection’ steht.
Hockey (1997) schlägt dafür zwei Kontrollschleifen vor: eine mit Routine assoziierte Regulation und eine auf Effort basierende, höhere Regulation. Die
Routine-Regulation beinhaltet die automatische Kontrolle von gut erlernten
Tätigkeiten als Funktion von etablierten Leistungs-Zielen. Üblicherweise wird
angenommen, dass diese Ziele weder einer aktiven Regulation noch eines
besonderen Efforts bedürfen. Auch wenn die Performance bei gut erlernten
automatisierten Tätigkeiten durch interne und externe Ereignisse bedroht
sein kann, so ist die Routinekontrolle normalerweise ausreichend um die
Stabilität der Leistung zu garantieren. (Für weiterführende Diskussion sei auf
Wickens 1986 verwiesen).
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3.1.2.4 Effort-Regulation
Wie bereits erwähnt wird davon ausgegangen, dass die Routine-Regulation
bei automatisierten kognitiven Tätigkeiten keine energetischen Kosten verursacht. Die zweite Kontrollschleife jedoch kommt dann zum Zuge, wenn die
Diskrepanz zwischen inneren Zielvorgaben und erreichter Leistung zu gross
ist, dass sie sich nicht durch Routine-Regulation beheben lässt.
Die zweite, höhere Regulation wird bei Hockey (1997) mit dem EffortManagement gleichgesetzt. Anders als bei Kahnemann (1973) wird der Effort nicht automatisch gesteigert um diese Diskrepanz zu beheben, sondern
die Wahrnehmung der Belastung bewirkt ein temporäres Verlagern der Kontrolle auf ein höheres Kontrollzentrum (Supervisory controller), auf dem verschiedene Regulationsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.
Ein gelegentliches Überschreiten der niedrigeren Marke signalisiert das Bedürfnis den Supervisor einzuschalten. Persistierendes Überschreiten dürfte
jedoch dazu führen, dass die Marke höher gestellt wird, so dass die Routinekontrolle auf einem höheren Niveau einsetzt. Das Verhalten bleibt dabei
höchst stabil und der Effort hält sich in den Reservegrenzen, auch wenn die
allgemeine mentale Aktivität zunimmt. Hockey interpretiert dies als aktives
Coping und setzt es dem „effort without distress“ (Frankenhäuser 1986)
gleich. Aktives Coping beinhaltet eine Erweiterung des Arbeitsgedächtnisses, eine verstärkte Ausführungskontrolle (Baddeley 1986, Shallice and Burgess 1993) oder auch den Gebrauch von regel- bzw. wissensbasiertem Verhalten (Rasmussen 1986) und stellt bei ungeübter (ohne Routine) mentaler
Arbeit wahrscheinlich die Regel dar. Entspricht der Regulationsschleife 2;
passive Aufwandsteigerung in Abbildung 1.
Wenn die wahrgenommene Diskrepanz zwischen inneren Zielvorgabe und
Leistung zu gross ist, als dass er sich durch geringfügige Anpassungen des
Arbeitseffort-Budgets kompensieren liesse, so ergibt sich daraus ein
schwerwiegenderes Problem.
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Auftrag
redefinierte Aufgabe
eigener Anspruch
(Selbstbeanspruchung)
Leistung
Arbeitsweisen
Beanspruchung
1. Veränderung der Arbeitsweise
2. Aufwandsteigerung (Effort)
a) passiv b) aktiv
3.Anspruchsniveau-Senkung
Abbildung 1:Tätigkeitsregulation unter Belastung, die Regulationen sind kursiv eingezeichnet (mod. nach Richter und Hacker 1998)
Bekanntlich wird das Verrichten von mentaler Arbeit unter hohem Effort z.B.
unter hohem Zeitdruck, als unangenehm empfunden und daher, wenn möglich, vermieden (Wickens 1986). Um die Diskrepanz zwischen den zunehmenden Anforderungen und der oberen Grenze des Efforts zu beheben,
stehen zwei Kontroll-Optionen zur Verfügung. Diese haben jedoch in Bezug
auf die Aufgabenerfüllung und die energetischen Kosten unterschiedliche
Konsequenzen. Die eine Kontroll-Option besteht darin, dass das maximale
Effort-Budget erhöht werden kann um die neuen Anforderungen zu erfüllen.
Die Zielvorgabe wird somit erfüllt, doch sind dabei zunehmend höhere energetische Kosten in Kauf zu nehmen. Dies entspricht Frankenhäuser’s (1986)
„effort with distress“-Coping-Muster und ist mit einer hohen Ausprägung der
Sympathikus-Dominanz sowie mit der Ausschüttung von Katecholaminen
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und Cortisol verbunden. Dies entspricht in Abbildung 1 der Regulationsstufe
2 und nämlich der aktiven Aufwandsteigerung.
Solch ein Zustand ist eindeutig aversiv, auch wenn er - falls er nur kurze Zeit
aufrecht erhalten wird - normalerweise keine Bedrohung für das betreffende
Individuum darstellt. Die Alternative zu einer Erhöhung des Effort-Budgets
stellt das passive Coping dar, bei dem die Leistungszielvorgabe nach unten
korrigiert wird (Anspruchsniveau-Senkung). Das Maximum des EffortBudgets wird belassen und die ohnehin schon erheblichen Kosten werden
nicht zusätzlich erhöht; doch wird der Schutz der Zielvorgabe aufgegeben.
Eine extreme Form dieses Verhaltens äussert sich im konsequenten NichtEngagement bei der Verfolgung von Aufgaben-Zielen.
3.1.3 Erfassung der Beanspruchung
Performance Messungen sollten nicht nur die Effektivität, sondern auch die
Effizienz des Verhaltens aufzeigen (Schönpflug 1983). Meist wird nämlich
nur die Qualität spezifischer, unter bestimmten Bedingungen erreichter Leistungen gemessen, während die Kosten, unter denen diese Leistungen erbracht wurden, unberücksichtigt bleiben. Dies führt uns zur Frage, wie denn
nun die Kosten zu messen sind.
Der arbeitende Mensch kann in der Regel für jede seiner Tätigkeiten den zu
deren Ausführung erforderlichen Grad an psychischer Anspannung artikulieren. Dies führte zur Entwicklung verschiedener vom Tätigen auszufüllenden
Skalen (Hankins und Wilson 1998, Hart und Hauser 1987, Lindquist et al
1983, Veltman und Gaillard 1998). Versteht man unter Aufmerksamkeit den
jeweiligen Intensitäts- oder Aktivierungsgrad psychischer Vorgänge, so kann
die erlebte psychische Anspannung, die auch als „Allgemeine zentrale Aktiviertheit“ (AZA) bezeichnet wird, mit Aufmerksamkeit oder – nach Hockey
(1997) - mit Effort gleichgesetzt werden. Operational wird die AZA wie folgt
eruiert: Sie wird auf Grund von Angaben über die innere Angespanntheit
sowie anhand desjenigen Anteils an Änderungen der Herzfrequenz gemessen, der von muskulären, körpertemperaturregulatorischen und sonstwie
störenden Kreislaufreaktionen bereinigt ist (Bartenwerfer 1969, S 201). Dies
beruht darauf, dass die intervallskalierte psychische Anspannung annähernd
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linear mit der - von Anteilen aus Muskelarbeit, Körperhaltung und Temperaturregulation bereinigten - Herzfrequenz des Zustandes nach Abklingen eines Anfangsanstieges kovariiert. Die auf diese Weise ermittelte psychische
Anspannung ist als Aussage über die Beanspruchung in jedem Fall von den
aktuellen und habituellen Leistungsvoraussetzungen des Arbeitenden abhängig.
Die erlebbare Intensitätskomponente aller psychischen Vorgänge und Zustände wird hypothetisch zu Vorgängen im zentralen Nervensystem in Beziehung gebracht, die sich nicht nur in Durchblutungs- und Erregungsprozessen in der Grosshirnrinde (PET- oder EEG-Messungen), sondern auch in
neurovegetativ regulierten Vorgängen wie der Herzfrequenz oder dem Blutdruck niederschlagen (Birbaumer und Schmidt 1996). Aktivierungszustände
des zentralen Nervensystems hängen von der - vorwiegend durch das aufund absteigende retikuläre Aktivierungssystem - vermittelten Stimulierung
aus der Umwelt ab, aber auch von Rückmeldungen über Körperbewegungen sowie von kortikal ausgelöster Selbstaktivierung.
Wie aus den vorhergehenden Ausführungen ersichtlich ist, muss für eine
zutreffende Einschätzung der Gesamtbeanspruchung nicht nur die physische, mentale (kognitive) und emotionale Beanspruchung erfasst werden,
sondern insbesondere sind auch die motivationalen Voraussetzungen des
Arbeitenden zu berücksichtigen. Auf der Grundlage von Metaanalysen hat
Boucsein (1991) häufig verwendete biochemische und physiologische Parameter den oben erwähnten Aspekten zugeordnet. Daraus wird deutlich,
dass es den idealen Indikator für mentale oder emotionale Belastung nicht
gibt und keiner der vorgestellten physiologischen Parameter erfasst die motivationale Komponente. Vielmehr ist - je nach Fragestellung - eine Kombination von Parametern zu wählen und mit Leistungs- und Verhaltensdaten sowie mit Befindlichkeitsvariablen zu kombinieren.
Im Bereich der mittleren Aktiviertheit ist in der Regel ein monotoner Zusammenhang zwischen tonischen Aktivierungsmerkmalen und dem Leistungsniveau festzustellen. Nach einem Anpassungsprozess werden Aufwand und
Leistung aufeinander abgestimmt und treten in ein stabiles, effektives VerI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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hältnis zueinander (vgl. dazu die Konvergenzregel nach Tent 1968). Arbeitende mit stärkerer Aktiviertheit (die sich in einer höheren Herz- oder Atemfrequenz niederschlägt) erreichen eine höhere Handlungsgeschwindigkeit
und -genauigkeit. Wie jedoch Untersuchungen bei extremen Aktivitätszuständen zeigen, gelten diese Relationen nur für den mittleren Bereich. Dieses Phänomen ist unter der Bezeichnung inverse U-Funktion oder als Yerkes and Dodson-Regel (Yerkes und Dodson 1908) zwischen Aktiviertheit
und Leistung bekannt. Mittels Variation von - bei der Informationsverarbeitung - wesentlichen Merkmalen versuchte Easterbrook (1959) diese Beziehung zu erklären. Bei niedriger Aktiviertheit überwiegt eine erniedrigte
Merkmalselektion, das heisst auch irrelevante Merkmale wurden hier berücksichtigt. Im mittleren Aktivierungsbereich wurden die relevanten
Merkmale optimal herausgelesen, was zu einer Leistungssteigerung führte.
Bei einer weiteren Aktivierungssteigerung wurden relevante Merkmale nicht
mehr selektiert, worauf sich die Tätigkeitsstruktur aufzulösen begann. Daraus ist ersichtlich, dass für eine spezifische Tätigkeit ein Optimum an Aktivierung existiert. Dieses Optimum ist anforderungsspezifisch, weshalb die
Bewertung psychophysiologischer Daten eine differenzierte Aufgaben- und
Anforderungsanalyse voraussetzt.
Um mentale Beanspruchung bewerten zu können müssen theoretisch folgende Daten erhoben werden:
-
Differenzierte Aufgaben- und Anforderungsanalyse (als Prozess verstanden)
-
Adäquater Leistungsparameter
-
Subjektiver Befindungsparameter
-
Physiologische Parameter (ev. Kombination)
-
Verhaltensindikatoren
-
Erholungsindikatoren
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3.2 Belastungen in der Arbeitswelt
In der Arbeitswelt sind wir verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Die Belastungen können aus der Arbeit selber, der Arbeitsaufgabe und der Arbeitsrolle resultieren. Ein plausibles Beispiel ist die Belastung, die wir verspüren,
wenn wir bis zum folgenden Tag eine Vielzahl von Aufgaben erledigt haben
müssen. Aber auch unklare oder widersprüchliche Anweisungen können zu
einer Belastung führen. Belastungen lassen sich auch unserer sozialen und
materiellen Umgebung zuordnen. Ausserdem ergeben sich öfter auch Belastungen aus dem sogenannten Personen-System. Darunter subsumiert man
etwa einen ineffizienten Handlungsstil oder fehlende Eignung, aber auch
familiäre Konflikte oder mangelnde Unterstützung. Da eine weiterführende
Auseinandersetzung mit der Fülle von Belastungsfaktoren in der Arbeitswelt
nur am Rande Thema dieser Arbeit ist, sei hier in Anlehnung an Richter und
Hacker (1998) aufgeführt, wie wir mit Belastungen umgehen:
Wir machen eine erste Abschätzung, ob Belastungen aus der Umwelt oder
aus Arbeitsanforderungen unsere Verhaltensstabilität in Frage stellen (primary appraisal). Je nach unseren Persönlichkeitsmerkmalen und Copingstrategien werden die Möglichkeiten zur erfolgreichen Beherrschung der
Situation abgeschätzt (secondary appraisal) und umgesetzt. Das erfolgreiche Umgehen mit der Situation wird danach wieder neu bewertet (reappraisal). Lazarus & Launier (1981) unterscheiden zwischen instrumentellen und palliativen Copingstrategien. Bei den ersteren handelt es sich um
problemlösende kognitive Prozesse gezielter Informationssuche von Bewältigungsmöglichkeiten, direkten Aktionen gegen die Bedrohung oder Unterlassung von Handlungen, die Gefährdung verstärken könnten. Unter palliativen Bewältigungsformen werden Emotionsregulationen verstanden, die eine
vorübergehende Entlastung der Bedrohung ermöglichen, ohne die Ursache
zu verändern: Psychopharmaka, Alkoholkonsum, Entspannungsübungen,
kognitive Umbewertungen, Verneinung, Bagatellisierung.
3.2.1 Reaktionsgrundlage von Umweltreizen
Wir arbeiten in einer auf uns einwirkenden Umwelt. Dieses Umfeld kann sich
völlig oder auch nur teilweise verändern und wir reagieren auf diese ÄndeI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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rungen. Beliebige Umweltfaktoren - wie Lärm, grelles Licht oder Gerüche können zu Belastungsfaktoren werden und modifizieren als solche unsere
Leistung wie auch unsere Beanspruchung. Wer hat nicht schon erlebt, wie
plötzlicher Lärm stören und konzentriertes Arbeiten verunmöglichen kann.
Leistungsveränderungen durch oder unter dem Einfluss von Umweltstressoren werden entweder durch eine Steigerung der zentralen Aktivierung (arousal) durch den Stressor oder durch Ablenkung erklärt (Loeb 1986, Hockey
1997). Das Konzept der gesteigerten zentralen Aktivierung kann zu
Sharpless und Jasper (1956), Malmo (1959) und Duffy (1962) zurückverfolgt
werden. Diese nahmen an, dass die Aktivierung abhängig ist vom sensorischen Input sowie vom Grad der momentanen Tätigkeit und dass ein Aktivierungs-Optimum besteht, unter oder über dem die Leistung abnimmt
(vergl. Yerkes-Dodson law). Dieses Konzept wurde z.B. von Degel und
Köster (1999) herangezogen um zu begründen warum unter dem erregenden Duft die Leistung abnahm und unter dem beruhigenden Duft die Leistung verbessert wurde. Die Ablenkungshypothese nimmt an, dass Umweltstimuli eine psychophysiologische Antwort auszulösen vermögen. Diese
Reiz-Antwort sei mit den Aufgabenanforderungen inkompatibel und degradieren damit die Leistung. Die Reaktionsgrundlage dafür bilden angeborene
Orientierungs- und Schreckreaktionen, die eine Abwehrreaktion nach sich
ziehen können. Da primäre Gefühle meist mit dem Drang zum Überleben
verbunden sind, müssen sie in die cardio-pulmonale Regulation eingebunden sein (Porges 1994) und werden daher auch mittels der ausgelösten cardio-pulmonalen Modulation beschrieben.
Broadbent (1979) argumentiert, dass kontinuierliche, nicht neue Stimuli nicht
ablenken können. Das Ablenkungskonzept basiert auf der Reiz-Neuheit, das
Konzept der Aktivierung über ein Optimum auf kontinuierliche Reizeinwirkung.
3.2.1.1 Orientierung
Sokolov (1963) und Lacey (1967) verstanden die Orientierungsreaktion konzeptionell als Antwort auf einen neuen Umgebungsreiz, welche die Wahrnehmungsschwelle für externe Reize beeinflusst, indem sie die Verarbeitung
externer Information erleichtert. Am besten beschrieben ist das Verhalten
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des Herzens, das sich an der Herzrate (HR) oder Herzfrequenz ablesen
lässt. Der Vorgang des Sich-Orientierens ist gekennzeichnet durch eine unmittelbar einsetzende Abnahme der HR (Dezeleration), die sich jedoch
schnell wieder normalisiert. Der zeitliche Verlauf dieser HR-Abnahme, die
Auswirkungen neuraler Blockaden sowie entsprechende Studien an klinischen Subpopulationen bestätigen die Annahme, dass die Orientierungsantwort neurogen vermittelt wird. Erstens erfolgt die HR-Abnahme unmittelbar; das Geschehen spielt sich in wenigen Sekunden ab und die HR erreicht
üblicherweise gleich wieder die vorangegangenen Werte. Zweitens ist die
Latenzcharakteristik von 40-200ms ähnlich oder gleich wie bei anderen nerval vermittelten bradykardischen (HR-senkenden) Reflexen. Studien über
Nervenblockierungen zeigten, dass die Abnahme der HR bei der Orientierungsantwort durch cholinerge Fasern des Nervus Vagus (X-Hirnnerv) vermittelt wird (Berntson et al 1994, Obrist 1981). Porges (1994) formulierte die
Hypothese, die HR-Abnahme bei der Orientierungsantwort erfolge durch
eine Wegnahme der vagalen Efferenzen aus dem Nucleus ambigus, so dass
die vagalen Efferenzen aus dem zweiten Vaguskern (nucleus dorsalis) dominieren würden; diese sind bekannt für ihren bradycarden Effekt.
Der Anteil der Atmung an der Orientierungsantwort ist zwar bis anhin noch
nicht so gründlich untersucht und dokumentiert worden wie der Herzanteil,
einzelne Studien dazu liegen jedoch vor. Barry (1982) beschrieb die Orientierungsantwort als gestopptes Atmen und zeigte auf, dass respiratorische
Pausen (phasische Unterbrechung der Atmung) gute Indikatoren für die
Neuigkeit eines Reizes darstellen, nicht aber für deren Intensität oder Bedeutung. Andere Forscher sehen in der respiratorischen Komponente der
Orientierungsantwort eine Abnahme der Atmungsrate (RR) oder eine initiale
Atmungspause, gefolgt von einer Abnahme der RR sowie der Amplitude,
also des Volumens (Porges und Raskin 1969).
Die Definition der Orientierungsreaktion als Antwort auf eine Veränderung
der Stimulation beinhaltet, dass eine wiederholte Reizapplikation durch denselben Reiz zu einer graduellen Abnahme der Reizantwort führen sollte (Sokolov 1963). Doch ist nicht auszuschliessen, dass unter bestimmten Bedingungen eine sogenannte Stimulus- Reinstallation erfolgt, was bedeutet, dass
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wiss. Arbeit
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derselbe Reiz auch bei wiederholter Applikation dieselbe Antwort auslöst
und demzufolge nicht habituiert.
3.2.1.2 Die Schreckreaktion (startle)
Kurze intensive und abrupt präsentierte Reize (z.B. ein Knall) erzeugen eine
Zunahme der HR (Akzeleration) mit einer kurzen Latenzzeit. Unerwartete
intensive oder aversive Reize bewirken eine Umschaltung bei der Einatmung. Zur Illustration: Blatz (1925) plazierte seine Versuchpersonen auf einen Stuhl, der - für die betreffende Person unerwartet - plötzlich nach hinten
kippte. Unmittelbar danach verlängerte sich bei der Versuchsperson die Einatmungszeit, während die Atmungsrate (RR) abnahm. Erfolgte das Kippen
des Stuhls während einer Ausatmungsphase, so wurde die Ausatmung abrupt beendet und schnell wieder Luft eingeatmet. Dasselbe Muster wurde
auch bei Lärm als Reiz ( durch sog. weisses Rauschen) festgestellt (Harver
und Kotses 1987): Die Analyse der nachfolgenden Atmungszyklen deckte
eine vorübergehende Zunahme der RR und des Atemzugvolumens auf.
Plötzliches Kühlen empfindlicher Körperflächen induzierte ebenfalls eine
unmittelbar einsetzende vorübergehende Einatmungs-Umschaltung, gefolgt
von einer Zunahme der RR sowie einer Vertiefung der Atmung (Keating und
Nadel 1965, Metjavic und Mitarbeiter 1987). Wie die Orientierungsantwort ist
auch die Schreckantwort gekennzeichnet durch eine plötzliche kardiopulmonale Reaktion von kurzer Dauer. Auf die Schreckreaktion kann aber auch
eine längere Reaktion folgen, die kardial wie pulmonal eine Akzeleration beinhaltet. Diese Komponente mit langer Latenzzeit ist als Abwehrreaktion zu
interpretieren.
3.2.1.3 Die Abwehrreaktion
Gemäss Lang (1997) umfasst die Abwehrreaktion eine Sequenz von Reaktionen mit einer initialen Phase (z.B. Schreck), in der die aversiv motivierten
Aufmerksamkeitsfaktoren dominieren, gefolgt von einer Spätphase, in der
die aversiv motivierten Schutzreaktionen vorherrschen. In der Literatur wird
teils nur zwischen Orientierungs- und Abwehrantwort unterschieden - wobei
die erste Schreckphase mit einbezogen wird – teils jedoch zwischen Orientierung-, Schreck- und Abwehrreaktion.
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Die klassische Unterscheidung zwischen Orientierungs- und Abwehrreaktion
basiert auf einer Intensitäts-Empfindlichkeits-Umschaltung der HR-Antwort
von der Dekzeleration zur Akzeleration. Zudem sollte die späte Akzeleration
nicht habituieren, sondern bei Reizwiederholungen immer empfindlicher reagieren (Vila et al. 1997). Die späte Akzeleration im kardiopulmonalen System
stimmt einerseits überein mit dem traditionellen Verständnis der Abwehrreaktion als einer Abkehr vom Reiz hin zur Schutzreaktion (Sokolov 1963),
andererseits aber auch mit der Induktion der sogenannten „fight or flight“Reaktion, wie wir sie aus Tierversuchen kennen (Turpin 1986).
Die Auswirkungen der Reizenergie auf das automatische Antworten stellt
einen wichtigen Fokus der psychophysiologischen Forschung dar, seitdem
Sokolov (1963) sowie Graham und Clifton (1966) in ihren Studien eine Unterscheidung zwischen Orientierungs-, Schreck- und Abwehrreaktionen vornahmen. Tabelle 1 vermittelt einen Überblick über diese Reaktionen, ihre
Charakteristika sowie ihre Auslöser.
1. Phase
Name
Latenzzeit
Gewöhnung
Vermittlung
Reiz
2. Phase
Orientierung
Millisekunden
Ja
neural (N.vagus)
Neuheit, Intensität
Schreck
Millisekunden
Ja
neural
Neuheit, Anschwell-
Abwehr
Sekunden
nein
neural und humoral
Intensität und Signifi-
moderat-
zeit kurz, Intensität
kanz
hoch
Funktion
Auswirkung
Herz
Atmung
Informationsverarbeitung
Unterbruch
(withdrawl)
Schutz- und
Alarmreaktion
Dezeleration
Atemdepression
Akzeleration
Akzeleration
EinatmungsAkzeleration
umschaltung
mit
nachfolgender kurzer
Dezeleration
oder
Apnoe
Tabelle 1: Charakterisierung der Orientierung-, Schreck- und Abwehrreaktion
Die Zuordnung der hohen Reizenergie und der kurzen Anschwellzeit zur
Schreckreaktion wurde aber auch von gewissen Forschern in Frage gestellt.
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Diese wiesen nach, dass akzelerative HR-Antworten auch durch Reize mit
langsamer Anschwellzeit (über 30ms) und mittleren Intensitäten (< 80dB)
ausgelöst werden können (Turpin und Siddle 1983). Diese Daten implizieren, dass Schreckantworten auch durch eine breitere Reizpalette ausgelöst
werden können, wie Graham (1979) vorgeschlagen hat. Die evidenten Resultate direkter Messungen des Schreck-Blink-Reflexes (Augen-Startle) bestätigen das Vorhandensein einer breiten Reizpalette (Blumenthal 1988 und
Blumenthlal et al. 1991). So konnte Turpin et al (1999) in einer Studie - die
zum Ziel hatte zwischen Orientierung-, Schreck- und Abwehrreaktion zu differenzieren - nachweisen, dass derselbe Reiz im Stande ist sowohl eine Orientierungs- als auch eine Schreckreaktion auszulösen. Die Verkürzung der
Reiz-Anschwellzeit löste jedoch - gemessen an der HR - eher eine Schreckreaktion aus, und die Versuchspersonen reagierten auch mit einer entsprechenden Verhaltensänderung.
Unsere Forschungsarbeit favorisiert das Konzept, dass Orientierungs- und
Schreckantwort ein Equivalent zum Engagement bzw. Nicht-Engagement
darstellen und über die Aufmerksamkeit erfolgen (Turpin et al. 1999). Orientierung lenkt die Aufmerksamkeit auf den neuen oder wichtigen Reiz,
Schreck hingegen bewirkt eine vollständige Abwendung der Aufmerksamkeit
von der gerade aktuellen Tätigkeit, also eine Unterbrechung durch einen
schnellen oder unerwarteten Reiz, gefolgt von wiederkehrendem Engagement oder aber von Vermeidung und Flucht (fight or flight), in Abhängigkeit
von der Natur des auslösenden Stimulus sowie der Situation des betroffenen
Individuums. Das Augenmerk richtet sich hier auf Orientierung und Schreck
in der ersten Reaktionsphase. Hier zeigt sich, dass dieselben Reize einmal
das eine und einmal das andere auslösen können. Ob nun aber auf eine
Orientierungs- oder Schreckreaktion eine Abwehrreaktion folgt, ist abhängig
von der Stimulusintensität, der Stimulus-Signifikanz sowie von der Situation
und dem Zustand des Individuums.
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3.3 Die Atmung
Will man die subjektive Beanspruchung durch mentale Arbeit messen, so
braucht man einen physiologischen Indikator, der auch im Stande ist emotionale und verhaltensassoziierte Faktoren abzubilden. Die Atmung ist durch
eine grosse Regulationsbreite gekennzeichnet; zudem können wir den Atem
auch willentlich für eine beschränkte Dauer anhalten und trotzdem weiterleben. Ein robuster physiologischer Parameter wie z.B. die Herzrate verfügt
keineswegs über eine derart grosse Regulationsbreite.
Ausserdem lässt sich die Ventilation auf zwei verschiedene Arten modulieren: über zeitliche Faktoren sowie über Volumenfaktoren. Somit kann eine
Steigerung der Ventilation durch eine Volumenerhöhung oder durch eine
Zeitverkürzung bedingt sein.
Stellen wir uns zur Veranschaulichung der Atemmodulation folgende Situation vor: Es ist Mitternacht und Sie befinden sich allein in einem Parkhaus. Da
hören Sie ein plötzliches, undefinierbares Geräusch. Höchstwahrscheinlich
werden Sie zunächst scharf und kurz einatmen und den Atem kurz anhalten.
Doch wie Sie danach weiter atmen, hängt sehr stark von Ihrem Verhalten
und Ihrer emotionalen Reaktion ab.
A. Stellt sich nun bei Ihnen die Angst ein – wie bei jedem „normalen“ Sterblichen, der für solche Situationen kaum gewappnet ist -, so sind Sie
sogleich innerlich aufgeregt, beginnen unmittelbar schnell und oberflächlich zu atmen und steigern insgesamt ihre Ventilation – und damit auch
ihren erregten Zustand.
B. Sind Sie jedoch zufällig ein ausgebildeter Kämpfer oder sonstwie für im
Umgang mit solchen Situationen trainiert, so fühlen Sie sich dieser Lage
gewachsen, haben Ihre Angst im Griff und bleiben innerlich ruhiger. Sie
beginnen langsam zu atmen, kontrolllieren ihren Atem und steigern ebenfalls ihre Ventilation, jedoch auf eine völlig andere Weise als der „normale
Sterbliche“. Durch diese langsame, tiefe Atmung halten Sie Ihre Erregung (arousal) in Schranken, da Sie bewusst oder intuitiv wissen, dass
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Ihre Leistung abnimmt - und Ihre Reaktionsfähigkeit somit eingeschränkt
ist -, wenn Sie es zulassen, dass Ihre Erregung ein bestimmtes Mass überschreitet (inverse U-Kurve oder Yerkes-Dodsen law).
Die Atmung spiegelt also nicht nur den Grad unserer Aktivierung, sondern
auch unser Verhalten, unsere emotionale Reaktion. Über die Atmung können wir nämlich bewusst oder unbewusst in die Abläufe in unserem Organismus eingreifen.
3.3.1 Regulation der Atmung
Die Atembewegungen werden von rhythmisch tätigen Neuronengruppen in
der Medulla oblongata gesteuert. Während die inspiratorischen Neuronen
bei der Inspiration und der frühen Exspiration aktiv sind, entladen sich die
exspiratorischen Neuronen bei der Exspiration. Die rhythmische Aktivität
beruht auf einer komplexen Verschaltung dieser medullären Atemneuronen,
die daher in ihrer gemeinsam Funktion als Rhythmusgenerator bezeichnet
werden. Die gegenseitige Hemmung und Förderung der Neuronen ist für die
Rhythmogenese ebenso wichtig wie die tonische (nicht atemrhythmische)
Aktivierung aus der Formatio reticularis, die durch spezifische und unspezifische Afferenzen aus der Körperperipherie moduliert wird. Die zentralen respiratorischen Neuronen werden durch die drei folgenden Hauptafferenzen
beeinflusst:
•
Informationen durch arterielle Chemorezeptoren
•
Informationen durch Skelettmuskulatur und Gelenke (somatische Afferenzen)
•
Informationen durch Lungen- und Atemwegsrezeptoren
Bekanntlich können respiratorische Afferenzen die Neuronen im Vorderhirn
aktivieren und zerebrale Efferenzen die respiratorische neurale Aktivität verändern. Doch ist die Kenntnis darüber, wie diese Verbindungen letztlich zu
Stande kommen, zur Zeit noch sehr bruchstückhaft.
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3.3.1.1 Chemische Atemanreize
Eine Modulation der alveolären Ventilation verändert die Werte des Sauerstoff- (pO2) und des Kohlendioxidpartialdruckes (pCO2) sowie des pH im
Blut. Umgekehrt wirken sich Veränderungen der arteriellen Blutgase und des
arteriellen pH auch auf die respiratorischen Neuronen in der Medulla oblongata aus und beeinflussen dadurch die Atmung.
Wird die CO2-Konzentration in der Atemluft erhöht, so nimmt das Atemminutenvolumen zu, vornehmlich durch einen Anstieg des Atemzugvolumens bedingt. Die Beziehung zwischen dem arteriellen pCO2 und dem Atemminutenvolumen wird CO2-Antwortkurve der Atmung genannt. Die CO2Antwortkurve zeigt, dass die Ventilation bei Zunahme des arteriellen pCO2
um das 8-10fache gesteigert werden kann. Danach fällt die Kurve wieder ab,
bedingt durch den sedierenden Effekt des hohen pCO2.
Sinkt der arterielle pH-Wert unter seinen Normalwert (7.4), so bewirkt dies
ebenfalls eine Atmungssteigerung; übersteigt er jedoch diesen Wert, so
vermindert sich die Ventilation entsprechend. Wird die pH-Senkung durch
Zugabe oder durch vermehrte Bildung von H+ erzeugt, so ist der Atemantrieb relativ gering, da die schon geringfügig gesteigerte Ventilation den arteriellen pCO2 senkt, was die H+ Konzentration stabilisiert und zudem atemhemmend wirkt.
Auch O2-Verarmung treibt die Ventilation an. Jedoch führt erst eine starke
Erniedrigung des arteriellen pO2 zu einer deutlicher Steigerung der Ventilation. Auch hier bewirkt die durch Hypoxie bedingte Ventilationssteigerung
eine Senkung des arteriellen pCO2, so dass die O2-Antwortkurve einen
Kompromiss zwischen dem hypoxischen Atemantrieb und der hypokapnischen (pCO2↓) Atembremse darstellt.
Von den drei chemischen Atemreizen - CO2, H+ und O2 – zeigt sich beim
CO2 die weitaus stärkste Wirkung. Daher sind bei Störungen der Lungenfunktion kaum Veränderungen des arteriellen pCO2 zu finden, die pathologischen Veränderungen betreffen hauptsächlich den arteriellen pO2.
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Dieser Zusammenhang erklärt, warum die CO2-Rückatmung häufig als Stimulus bei Untersuchungen der Ventilation eingesetzt wird. Die Zunahme der
Minutenventilation durch CO2 beruht nach Haldane et al (1919) fast ausschliesslich auf einem vergrösserten Atemzugvolumen (Vt). Bei CO2stimulierter Atmung setzt der Mensch beim Ausatmen zusätzlich die abdominalen Bauchmuskeln ein (Grassino et al 1981, Lopato et al 1983). Dadurch verkleinert sich das end-exspiratorische Volumen und es wird postuliert, dass dies die Arbeit des Zwerchfells optimiert. Yan et al (1996) konstatierten, dass die individuelle Steigerung des Atemzugvolumens auf Grund
der CO2-Stimulation vor allem eine Funktion des end-exspiratorischen Volumens des Brustkorbkompartimentes (RC) darstellt. Die Veränderung des
end-exspiratorischen Volumens des Abdomenkompartimentes (AB) dagegen
wies eine geringe intersubjektive Variabilität auf und zeigte bei allen Probanden einen signifikanten negativen Zusammenhang mit dem CO2Stimulus, was bereits von Konno und Mead (1967) postuliert worden war.
Die individuelle Atemzugantwort auf CO2 scheint reproduzierbar zu sein
(Yan et al 1996, Hey et al 1966); allerdings wurden nur bei einer sehr geringen Anzahl Probanden Wiederholungen durchgeführt. Das metabolische
Kontrollsystem erweist sich als der wesentliche Stimulus der Ventilation (von
Euler 1986). So konnten mentale Stimuli bei einem deutlich erhöhten CO2Gehalt der Einatmungsluft keinen Einfluss mehr auf die Frequenz der Atmung ausüben, während dieselben Stimuli beim Einatmen von normaler Luft
durchaus eine Wirkung zeigten. Leider wurde im Rahmen dieser aufschlussreichen Untersuchung nur die Atemfrequenz bestimmt (Morgan und Cameron 1984).
3.3.1.2 Lungenafferenzen
Beim narkotisierten Tier hemmt die Dehnung der Lungen die Zwerchfellaktivität, die Ent-Dehnung hingegen fördert diese Aktivität. Dieser sog. BreuerHering-Reflex wird von langsam adaptierenden Dehnungsrezeptoren in der
Wand der grösseren Atemwege ausgelöst. Die afferenten Bahnen verlaufen
im N.Vagus. Bei der Normalatmung ist dieser Reflex kaum von Bedeutung,
bei vermehrter Atmung jedoch scheint er die Atemtiefe zu begrenzen. Die
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Lungendehnungsrezeptoren führen auch zu reflektorischer Erweiterung der
Bronchien und stimulieren die Herzaktivität.
Ein Zusammenziehen der Lunge (Deflation) führt zu einer erhöhten Atemfrequenz. An diesem Reflex sind schnell adaptierende Rezeptoren in der
Schleimhaut des Bronchialbaumes beteiligt. Da sie durch schleimhautreizende Gase und Stäube erregt werden, nennt man sie Irritationsrezeptoren;
sie verursachen eine Bronchokonstriktion. Schnell adaptierende Rezeptoren
in der Trachealwand lösen den Hustenreflex aus.
Die J-Rezeptoren kommen in den kleinen Atemwegen sowie in den Alveolarbläschen vor und werden durch Flüssigkeitsansammlungen in der Alveolarwand sowie durch eine Reihe von Mediatorsubstanzen (Histamin, Bradykinin, Prostaglandine) erregt. Starke Erregung dieser Rezeptoren führt zu
einer Apnoe (Atemstillstand), Senkung der Herzfrequenz und des arteriellen
Blutdruckes, Konstriktion des Kehlkopfes sowie zu einer Minderung der Skelettmuskelaktivität durch Hemmung der a-Motoneuronen.
Die Muskelspindeln der Atemmuskulatur leiten ihre Signale nicht nur zu den
spinalen Motoneuronen, sondern auch zu den medullären respiratorischen
Neuronen. Auf diese Weise passt sich die Tätigkeit der Atemmuskeln an die
Widerstände von Lunge und Brustkorb an.
3.3.1.3 Phasen-Koppelung
Bei rhythmischen Bewegungen (z.B. beim Gehen) können enge Interaktionen zwischen der Atembewegung und der motorischen Bewegung zu Stande kommen. Die engste bekannte Kopplung –nämlich im Verhältnis 1:1 zeigt sich bei galoppierendenTieren. Beim Zweibeiner scheint das Training
eine zentrale Rolle zu spielen. So wiesen trainierte Läufer eine Koppelung
im Verhältnis 2:1 auf (Bramble und Carrier 1983), bei unerfahrenen Läufern
hingegen zeigte sich keine Tendenz zur Phasenkopplung. Die Wahrscheinlichkeit einer Koppelung zwischen der Atmung und der Pedalfrequenz lässt
sich stark erhöhen, indem die Versuchsperson ihre Pedalfrequenz frei wählen kann (Jasinkas et al 1980). Bei unerfahrenen Versuchspersonen verunmöglicht eine vorgegebene Pedalfrequenz jegliche Koppelung. Eine hochgradige Koppelung führt beim Laufen oder Velofahren zu einer VerbesseI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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rung der Leistung, da Koppeln den Sauerstoffverbrauch reduziert. An der
Phasenkoppelung dürften zwei Mechanismen beteiligt sein, wobei der eine
(nämlich der Aufprall der Abdominalmasse auf das Zwerchfell) passiv abläuft, während der andere eine neurale Vermittlerfunktion ausübt (Skelettmuskelafferenzen). Die Koppelung wird durch eine Interaktion zwischen den
spinalen Bewegungsgeneratoren und dem medullären Rythmusgenerator
bewerkstelligt (Viala 1997).
3.3.1.4 Höhere Hirnzentren
Obwohl bei einem Funktionsausfall der höheren Hirnzentren der Grundrhythmus der Atmung und die chemische Atmungsregulation fortbestehen,
üben diese Zentren einen wichtigen modulierenden Einfluss auf die Atmung
aus. Bekanntlich können Atemreize durch das hypothalamische Schaltzentrum der Temperaturregulation, über Schmerzrezeptoren oder eine bestimmte Emotionslage ausgelöst werden. Wie die Vermittlung zwischen Cortex
oder Thalamus und den respiratorischen Neuronen vor sich geht, ist zur Zeit
noch weitgehend ungeklärt (für weiterführende Literatur siehe: Dempsey and
Pack: Regulation of breathing 1995).
Die Atmung lässt sich von bisher nicht näher bekannten Feldern des Cortex
aus willkürlich verändern, z.B. durch Sprechen, Singen, Husten oder durch
willkürliches Anhalten des Atems. Diese willkürliche Beeinflussung der Atemmuskeln erfolgt stets bilateral: Die neuronalen Verbindungen verlaufen in
der Pyramidenbahn und ziehen sich unter Umgehung des Rhythmusgenerators direkt auf die spinalen Atemmuskel-Motoneuronen.
Schon bei normaler Atmung zeigt sich beim Atemzugvolumen und bei der
Frequenz eine erhebliche Variabilität. Hält man sich die vielen möglichen
Kontroll- und Steuermechanismen der Atmung vor Augen, welche meist als
Feedback-Mechanismen wirken, so ist dies nicht erstaunlich. Diese Feedback-Schleifen erfassen Zeitperioden von Sekunden (N. Vagus) bis zu mehreren Tagen (Hormone), doch alle beeinflussen die augenblickliche Erregung der Atemmuskelnerven. Dass die Leistung eines so hochgradig sensiblen Systems eine beträchtliche Variabilität aufweist, versteht sich von selbst.
Die geringste Variabilität zeigt sich bei der Atmung im tiefen Non-REMI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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Schlaf oder unter Vollnarkose. Je wacher aber der Mensch, desto variabler
erscheint sein Atem. Bruce und Daubenspeck (1995) verstehen die Atmung
als dynamische Homeostase. Sie stellen die Hypothese auf, dass sich der
gesunde physiologische Zustand durch eine komplexe Variabilität der Atmung kennzeichne. Ein gesunder Organismus sei auch eher fähig, mit den
sich immer wieder verändernden Umweltbedingungen umzugehen und diese
auch als veränderte Variabilität abzubilden.
3.3.2 Einflüsse auf die Ventilation und das Atemmuster
3.3.2.1 Der Einfluss körperlicher Arbeit auf Ventilation und Atemmuster
Dass körperliche Arbeit die Ventilation steigert, ist offensichtlich. Bei leichter
Arbeit und gleich bleibender Frequenz (RR) wird nur das Atemzugvolumen
erhöht (Vt), bei schwerer Arbeit jedoch werden Vt und RR erhöht. Das Atmen durch ein Mundstück verändert das Atemmuster – insbesondere, wenn
die Versuchsperson überhaupt nicht oder nur leicht arbeitet, indem die Minutenventilation durch ein vergrössertes Vt und bei einer meist verlängerten
Ttot, d.h. bei verkleinerter RR, zusätzlich erhöht wird (Peak and McCool
1992, Bloch et al 1995, Gilbert et al 1972).
Anhand von Messungen an Versuchpersonen, während diese verschiedene
körperliche Aktivitäten ausübten - wie Velofahren, Hebetätigkeiten wie Gewichtheben und Ziehen von Lasten mit verschiedenen Intensitäten - wurde
festgestellt, dass die Minutenventilation mit steigender Arbeitsschwere vor
allem über eine Steigerung des Vt zunahm. Während der Hebetätigkeit zeigte sich bei gleichem Atemminutenvolumen gegenüber den anderen Tätigkeiten eine viel grössere Variabilität von Vt und Ti sowie des endexspiratorischen Lungenvolumens. Daraus schliessen Paek und McCool
(1992), dass verschiedene körperliche Aufgaben unterschiedliche Atemmuster erzeugen.
Bei Velofahren mit niedriger Arbeitslast nimmt das end-exspiratorischeLungenvolumen ab, während sich das Atemzugvolumen proportional dazu
erhöht (Sharrat et al 1987, Lind und Hesser 1984, Younes and Kivinen 1984,
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Babb und Rodarte 1991). Allerdings sind hier erhebliche individuelle Unterschiede festzustellen.
Werden die Einatmungsmuskeln z.B. durch Atmung gegen einen Widerstand
ermüdet, wirkt sich das nicht auf das Atemmuster in Ruhe aus. Bei grosser
Arbeitsbelastung (75% von Wmax) wurde f signifikant mehr gesteigert als
ohne induzierte Müdigkeit (Mador und Acevedo 1991). Die Müdigkeit hat
keinen Einfluss auf das Atemzugvolumen. Es resultierte ein schnelles aber
nicht oberflächliches Atmen, das heisst der Einatmungsantrieb wurde unter
Müdigkeit mehr gesteigert. Das würde bedeuten, dass die Anpassung der
Atmung an grosse Arbeitsbelastungen eingeschränkt ist bei induzierter Müdigkeit der Einatmungsmuskeln.
3.3.3 Umwelteinflüsse, Stressoren
Die grundlegenden Atmungskorrelate der Schreck- und Orientierungsreaktion sind schon im Kapitel 3.2.1 beschrieben worden. Mador und Tobin 1991
untersuchten die Auswirkungen visueller und auditiver Stimulierung (beim
Fernsehen) sowie „schädlicher“ visueller Stimulierung (Starren in ein grelles
Licht) auf die Atmung. Letzteres erhöhte die Minutenventilation (Vmin) über
30%, während beim Fernsehen lediglich eine Tendenz zur Erhöhung der
Vmin festgestellt wurde. Diese Tendenz liess sich ausschliesslich auf eine
erhöhte Respirationsrate (RR) zurückführen, das Inspirationsvolumen (Vi)
hingegen blieb dabei gleich oder nahm sogar ab. Die Zunahme der Vmin
durch grelles Licht wurde durch eine Erhöhung von Vi und RR verursacht.
Unter beiden Bedingungen nahm der Inhalationsfluss (Vi/Ti) zu. Zusätzlich
wurde die Variabilität der Atmungsparameter untersucht. Insbesondere während der Stimulation mit grellem Licht erhöhte sich die Variabilität ausgesprochen stark, wobei Vi variabler reagierte als Ti.
Bei verschieden ausgeprägter vestibulärer Stimulation (Schiffsbewegung)
(Bles et al 1988, zit. nach Wientjes 1992) traten hohe intra-individuelle Zusammenhänge zwischen dem Grad der Seekrankheit, der Ängstlichkeit und
dem pCO2 zu Tage. Je „seekranker“ die Matrosen waren, desto stärker hyperventilierten sie. Dieser Befund konnte im Labor bestätigt werden (Bles
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und Wientjes 1988 zit. nach Wientjes 1992). Hyperventilation, also die Steigerung der Ventilation über den adäquaten metabolischen Bedarf hinaus,
könnte einen Indikator der Stressoreinwirkung auf ein Individuum darstellen,
vermutet Wientjes (1992).
Eine erwähnenswerte Untersuchung Gallego et al (1991) anhand von HörReizen ergab, dass die Reaktionszeit auf einen Hör-Reiz bei spontaner Atmung kürzer war als bei kontrollierter Atmung. Zudem zeigte sich dabei kein
Bezug zum Zeitpunkt, an dem der Reiz erfolgte. Während der kontrollierten
Atmung (mit vorgegebenem Rhythmus) verlängerte sich die Reaktionszeit
und erreichte genau dann ihre maximale Länge, wenn der Reiz genau in die
Übergansphase zwischen Ausatmung und Einatmung fiel.
Als potenter Umweltsensor ist die Nase im Stande Umweltchemikalien bereits bei sehr geringer Konzentration wahrzunehmen und als angenehm oder unangenehm zu kategorisieren. In der Literatur sind in Bezug auf Atmung und Gerüche zwei verschiedene Forschungslinien zu unterscheiden.
Der erste Ansatz sucht primär nach einem objektiven Mass für die Geruchswahrnehmung, indem Atemveränderungen zu der wahrgenommenen Geruchsintensität in Beziehung gesetzt werden (von Gerhard und Rauh 1963,
Guidziol und Gramoski 1987). Der zweite Ansatz geht davon aus, dass die
Atmung kurz nach einem Geruchsreiz eine olfaktorielle und / oder eine trigeminale Stimulation representiert. Die meisten Gerüche werden jedoch von
beiden Nerven wahrgenommen: vom N. olfaktorius, dem eigentlichen Riechnerv sowie vom N. Trigeminus, der bei Gerüchen v.a. den schleimhautreizenden Anteil wahrzunehmen vermag. Gewisse Gerüche werden vorwiegend vom N. Trigeminus, andere wiederum eher olfaktoriell registiert.
Dunn et al (1982) und später auch Shustermann und Balmes (1997) stellten
nach einer abrupt präsentierten, stark irritierenden CO2-Konzentration eine
vorübergehende Reflexapnoe fest. Die Autoren schlossen daraus, dass die
Atmung - jedenfalls für Stimuli, die eine wahrnehmbare nasale Irritation verursachen - ein zuverlässiges Wahrnehmungs-Korrelat darstelle. Dieses Resultat kann aber auch dahingehend interpretiert werden, dass der schnell
präsentierte, starke Riechstimulus eine Schreckreaktion zu bewirken verI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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mag, die eine unmittelbare Umschaltung der Einatmung auslöst, gefolgt von
einer kurzfristigen Atempause (Apnoe). (Blatz 1925, Harver und Kotses
1987, Boiten et al 1994). Olfaktormeter-basierte Untersuchungen (Walker
1990, Warren 1992, Warren 1994, Walker et al 2001) zeigten auf, dass Atemveränderungen bereits im ersten Atemzug nach einem schwachen bis
moderaten Geruchsstimulus sichtbar werden. Generell lassen sich die Veränderungen im ersten Atemzug nach dem Geruchsreiz folgendermassen
beschreiben: Die Tiefe des Atemzuges wird reduziert (Vi nimmt ab) oder der
Inhalationsfluss (Vi/Ti) nimmt ab. Die Latenzzeit dieser Abnahme beträgt
nach dem Bericht zwischen 180 und 400 Millisekunden - ist also sehr kurz.
Die Inhallationsdauer(Ti) wurde erst bei Geruchskonzentrationen verändert,
die eine deutliche Nasenreizung verursachen. Diese Geruchsantwort stimmt
weitgehend mit der Orientierungsatemantwort überein. Die respiratorische
Komponente der Orientierungsantwort besteht in einer Reduktion der Atmungsrate oder der Frequenz (RR), die einher geht mit einer Reduktion der
Amplitude (Vi), was insgesamt zu einer Reduktion des Inhalationsflusses
führt. Die Reduktion von Vi/Ti oder zumindest von Vi im ersten Atemzug
nach einem Geruchstimulus wird hier als Orientierungsantwort interpretiert.
Die Abnahme von Ti nach irritierenden Geruchskonzentrationen (Walker et
al 2001) impliziert, dass in der Atmung zusätzlich die spezifische Aktivierung
des N. Trigeminus sichtbar wird. Mit Ausnahme einer Untersuchung (Walker
et al 1997) – bei der es um die Auswirkungen von Passiv-Rauch auf das Atemmuster geht -, sind keine Untersuchungen von chemischen Umweltstimuli, die länger dauernde Atemmusterveränderungen bewirken, bekannt.
Darum werden im Experiment „Einfluss von Gerüchen auf die Atmung und
Leistung“ nicht nur kurzzeitige Atemantworten untersucht, sondern auch länger andauernde Atemanpassungen. Das Experiment wurde entworfen um
einerseits durchschnittliche Atemwerte anlässlich einer zwei-minütigen Exposition durch verschiedene Gerüche zu untersuchen, andererseits aber
auch um kurze, vorübergehende Atemantworten auf den Geruchsstimulus
zu analysieren und zwar im Ruhezustand sowie bei mentaler Arbeit.
Der Einfluss von Gerüchen auf das Verhalten und die mentale Leistung von
Menschen ist ein Phänomen, das sich einer breiten Akzeptanz erfreut, obI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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wohl bis anhin überzeugende wissenschaftliche Beweise dafür ausstehen.
Fünfjährige Kinder erbrachten bei einem kognitiven Test in einem Raum mit
und einem andern Raum ohne Geruch (Epple und Herz 1999) dieselbe Leistung. Gilbert et al (1997) untersuchten die Auswirkungen von Gerüchen auf
die Leistung und die Stimmung erwachsener Versuchspersonen; auch sie
konnten keinerlei Einflüsse eruieren. Hingegen verursachte die blosse Suggestion von Gerüchen bei einem Zahl-Streichungs-Test eine signifikante,
geschlechtsabhängige Interaktion. Knasko (1993) untersuchte die Auswirkungen von intermittierenden Geruchsstössen auf die mentale Leistung.
Auch er konnte keinen Effekt auf die Leistung nachweisen - auch wenn jene
Versuchspersonen, die unangenehmen Gerüchen ausgesetzt worden waren, im Nachhinein meinten, diese Gerüche hätten einen negativen Einfluss
auf ihre Leistung und ihre Stimmung ausgeübt. Nur Degel und Köster (1999)
konnten nachweisen, dass Gerüche u.U. doch im Stande sind mentale Leistungen zu beeinflussen: Bei ihren Probanden nahm die mentale Leistung in
einem Raum mit schwachem Lavendelgeruch zu, in einem Raum mit Jasmingeruch jedoch ab. Studien über die Auswirkungen von Gerüchen auf die
mentale Leistung unter gleichzeitiger Berücksichtigung physiologischer Parameter konnten hingegen keine gefunden werden.
3.3.4 Mentale Arbeit
Verschiedene Untersuchungen befassten sich mit den Auswirkungen mentaler Arbeit auf das Atemmuster. Dabei wurden v.a. mentale arithmetische
Aufgaben und Reaktionsaufgaben gestellt und deren Einfluss auf das Atemmuster unter verschiedenen Bedingungen - wie Grad der Aufgabenschwierigkeit (Svebak 1982, Caroll et al 1986), Elektroschockdrohung (Allen
et al 1986, Sherwood et al 1986) oder Geldbelohnung (bonus) (Turner und
Caroll 1985, Allen und Crowell 1989) – untersucht. Die frühen Untersuchungen zeigten, dass beim Ausführen mentaler Arithmetik eine flache Atmung
vorherrscht, mit nur marginaler Zunahme in RR (Suter 1912, Skaggs 1930).
Konzentrierte sensorische Aufmerksamkeit bewirkte eine Abnahme in der
Tiefe der Atmung und in der Atemvariabilität – womöglich um Ablenkungen
und irreguläre Atembewegungen zu unterdrücken, die mit den Aufgabenzielen interferieren könnten (Suter 1912, Woodworth 1938, Kagan und Rosman
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1964). Gesteigerte Aufgabenschwierigkeit kovariiert mit einer Zunahme in
RR sowie mit einer signifikanten Zunahme auf einer Erregungsskala (Arousal) (Caroll et al. 1986). Auch Schnore (1959) demonstrierte, dass eine verstärkte Erregung zu einer Zunahme der RR führt: Je erregter wir sind, desto
schneller atmen wir. Verschiedene Studien haben aufgezeigt, dass
stressvolle Laboraufgaben eine schnelle Atmung induzieren, die meistens
mit einer Abnahme des Atemzugvolumens verbunden ist. Das bedeutet, bei
mentalen Aufgaben, die mit Stress verbunden sind, wird schneller und
oberflächlicher geatmet (Allen et al 1986, Carroll et al 1987, Langer et al
1985, Svebak 1982, Turner und Carroll 1985, Turner et al 1983, Wientjes et
al 1998, Boiten 1993). Da die Zunahme der Frequenz dominiert, nimmt die
Minutenventilation entsprechend zu.
Zur Illustration sei hier die Untersuchung von Wientjes et al (1998) genauer
beschrieben. Nach einer Ruhephase mussten die Versuchspersonen unter
drei gegebenen Voraussetzungen einen Gedächtnis-Vergleichstest lösen.
Die ersten beiden Voraussetzungen unterschieden sich nur darin, dass
Feed-back den Probanden einmal gegeben und einmal vorenthalten wurde.
Die dritte Voraussetzung, die jeweils erst am Schluss folgte, bestand darin,
dass den Versuchspersonen einen Geldbonus offeriert wurde, falls sie eine
bessere Leistung erzielen sollten als unter den beiden vorangegangenen
Voraussetzungen. Die Minutenventilation nahm unter allen drei Voraussetzungen zu und zwar in der Reihenfolge: ohne Feedback, mit Feedback, mit
Bonus. Gleichzeitig nahm die RR unter allen drei Voraussetzungen zu, wobei sich jedoch zwischen den verschiedenen Bedingungen keinen Unterschied feststellen liess. Die Atemtiefe (Vi) nahm beim Test ohne Feed-back
ab, bei den Testen mit Feed-back und mit dem in Aussicht gestellten Bonus
hingegen war die Atemtiefe gleich wie unter im Ruhezustand. Der Inhalationsfluss kovariierte weitgehend mit der Minutenventilation, ferner wurde eine
leichte Hyperventilation induziert.
Boiten (1993) machte verschiedene experimentelle Aufgaben zum Gegenstand seiner Untersuchung. Dazu gehörten: mentale Arithmetik, eine Reaktionsübung, eine Entspannungsübung sowie vier körperliche Übungen, abgestuft nach Schwierigkeitsgrad. Beim Ausführen der körperlichen Übungen
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nahm die Dauer des Atmungszyklus (Ttot) ab, gekoppelt mit einer zunehmenden Atmungstiefe und eines verkürzten Ti. Bei den beiden mentalen
Aufgaben (Reaktionstest / Konzentration und Arithmetik) nahm das Vi etwas
ab, vor allem aber wurde die Inspirationszeit Ti verkürzt. Bei der mentalen
Arithmetik war die Abnahme von Ti gekoppelt an eine Zunahme der Ausatmungszeit (Te), was eine sägezahnähnliche Atmungskurve ergab. Die Reaktionsaufgabe / Konzentrationsaufgabe verringerte - im Gegensatz zur arithmetischen Aufgabe - auch die Ausatmungszeit Te, was bei der arithmetischen Aufgabe zu einer eher sinusförmigen Atemkurve führte. Die Zunahme
von Te bei mentaler Arithmetik wird mit der internen Vokalisation in Zusammenhang gebracht.
Generell ist festzuhalten, dass konzentrierte Aufmerksamkeit zu einer beschleunigten Atmung führt, insbesondere wird Ti verkürzt und der Inhalationsfluss nimmt - bei gleich bleibendem oder abnehmendem Vi - zu. Spezielle mentale Aufgaben wie mentale Arithmetik zeigen zusätzlich auch Auswirkungen auf die Ausatmungszeit, wahrscheinlich verknüpft mit internem
Sprechen. Die meisten untersuchten mentalen Aufgaben sind Reaktions-,
Gedächtnis- und Rechenaufgaben auf unterschiedlichen Schwierigkeitsstufen und unter verschiedenen Rahmenbedingungen. Es ist aber zu bedenken, dass sozusagen alle mentalen Aufgaben eine motorische Umsetzung
nach sich ziehen: Es kommt am Arbeitsplatz selten vor, dass wir nur denken,
ohne unsere Gedanken auch umzusetzten. Auch Überwachungsarbeit führt
zu einer motorischen Umsetzung: Wenn ein Lämpchen blinkt, muss ein
Schalter gedrückt werden. Die Auswirkungen von Aufgaben mit verschiedenen motorischen und kognitiven Anteilen auf die Atmung wurden bisher nicht
untersucht. Im Experiment „Physiologische Veränderungen durch Aufgaben
mit verschiedenen kognitiven und motorischen Anteilen“ wird dieser Fragestellung daher erstmals nachgegangen. Zusätzlich wird die muskuläre Aktivierung von Aufgaben-irrelevanter Muskulatur erfasst, da Zusammenhange
zwischen Atmung und muskulären Symptomen postuliert wurden (Carayon
et al 1999).
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Danuser
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3.3.5 Emotionen
Emotionen werden im Allgemeinen mit Motivation und Verhalten assoziiert
(Frijda 1986). Emotionale Reize können Zustände hoher fokussierter Aufmerksamkeit auslösen. Wie im Kapitel 3.1 über die Beanspruchung durch
mentale Arbeit bereits erläutert wurde, lauten also die Schlüsselbegriffe für
das Verständnis der mentalen Arbeit und ihrer Regulation: Motivation und
Verhalten.
Die Frage, wie Emotionen die Atmung beeinflussen können, ist im Verlauf
des letzten Jahrhunderts immer wieder aufgegriffen worden, und trotzdem ist
auf diesem Gebiet bis heute noch manches unklar geblieben. Dies rührt
wohl nicht zuletzt auch daher, dass völlig verschiedene psychophysiologische Konzeptionen über Emotionen vorliegen. Ein entscheidender Grund
dafür ist jedoch sicher auch darin zu sehen, dass im Labor „hergestellte“ Gefühle stets von aussen induzierte Gefühle darstellen, die sich wahrscheinlich
leichter unterdrücken oder kontrollieren lassen als eigene, spontane Gefühle. Eine übersichtliche und ausführliche Darstellung der Gefühle und Atemmuster findet sich bei Boiten et al (1994). In der nachfolgenden Tabelle 2
sind die wichtigsten Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Formen
des Atmens einerseits und den entsprechenden Gefühlen sowie den mentalen Einflüssen andererseits kurz dargelegt.
Atemantwort
Assoziierte emotionale und mentale
Einflüsse
Referenz
Schnelles und tiefes Atmen
RR ↑, Vt ↑
Gesteigerte Bereitschaft zum Handeln in
einem positiven oder negativen Sinn
Zustände gesteigerter Aufregung,
Woodworth, SchlosAngst, Ärger und Freude
berg 1955
Ax 1953
Hypnotische Suggestion oder vorgestell- Morgan 1985
te körperliche Tätigkeit
Gallego et al 1996
Schnelles und oberflächliches Bereitschaft zum Handeln, mit einem
Atmen
gewissen Grad an inhibitorischer Kontrolle, Konzentrierte Aufmerksamkeit
RR ↑, Vt ↓,
(meist + Vi/Ti ↑)
Variationen in der Tiefe der Atmung bei Wientjes 1993
Boiten et al 1994
schnellem Atmen korrespondieren mit
verschiedenen Punkten auf einem Inhibition-Exzitations-Kontinuum
Mit Stress verbundene mentale Aufgabe Allen et al 1986
Carroll et al 1987
Sims et al 1988
Wientjes 1993
Boiten 1993
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wiss. Arbeit
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Angespannter Affekt
Angespannte oder ängstliche Vorwegnahme oder Erwartung
Langsames und tiefes Atmen
RR ↓, Vt ↑
Entspannte Ruhephasen
(slow-wave-Schlaf, Entspannung)
Langsames und oberflächliches Atmen
Aufgeregter positiver Affekt
Passiver Gram
Ruhiges Glück
Lehmann 1914
Skaggs 1930
Stevenson, Ripley
1952
Grossman 1983
Wientjes 1993,
Boiten 1993
Rehwoldt 1911
Averill 1969
RR ↓, Vt ↓,
+ Vi/Ti ↓,
Brustkorb- und AbdomenAtmung
%Rc / %Ab
Irreguläres Atmen
Entspannungszustand
Wegwendung von der Umwelt, Passivität
Rc ↑: Unangenehmer Affekt, Angespanntheit oder Ängstlichkeit
Ab ↑: Angenehmer Affekt, Entspannung
Emotionale Bestürzung, Erregung,
schädliche Umwelteinflüsse
Nakamura 1984
Boiten et al 1994
Ancoli, Kamiya 1979
Ancoli et al 1980
Svebak 1975
Stevenson, Ripley
1952
Santibanez, Bloch
1986
Mador,Tobin 1991
Tabelle 2: Übersicht über Atemantworten in Bezug auf Emotionen und mentale Arbeit.
Vt = Atemzugvolumen, RR = Atemrate, Vi/Ti = Inspirationsfluss, % Rc = Prozentualer
Anteil des Brustkobes am gesamten Atemzugsvolumen (%Rc +%Ab = Vt).
Gefühle sind eng mit der Atmung verknüpft. In der Alltagssprache verwenden wir viele Ausdrücke, die auf diesen Bezug verweisen. Beispiele dafür
sind: atemberaubend, den Atem verschlagen, in Atem halten, Aufatmen, tief
Durchatmen. Dies führte zur Annahme, dass sich die verschiedenen Gefühle
durch spezifische Atemmuster kennzeichnen würden. Auf dieser Vorstellung
basierten bereits die Arbeitshypothesen früherer psychophysiologischer Studien (Feleky 1914, Rehwoldt 1911). In den späten 80er Jahren wurde diese
Hypothese wieder aufgegriffen (Santibanez und Bloch 1986 und Bloch et al
1991). Tabelle 2 vermittelt einen Überblick über die verschiedenen Studien
und ihre Befunde in Bezug auf die Auswirkungen von Gefühlen auf die Atemparameter.
Nur zwei der aufgelistetet Studien untersuchten die Auswirkungen spezifischer Gefühle auf die Atmung in systematischer Form. Eine davon stammt
von Feleky (1914). Dieser bat die Versuchspersonen sich an sechs primäre
Emotionen (Freude, Schmerz, Wut, Wunder, Angst und Abscheu) zu erinnern, wobei er das Inspirations-Expirationsverhältnis, die Tiefe der Atmung
und Vt/Ttot (die Atemtiefe geteilt durch die Dauer des Atemzuges) (‚Amount
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of respiratory work’) analysierte. Alle Parameter differenzierten klar zwischen
den verschiedenen erinnerten Gefühlen. Leider konnte diese Untersuchung
später nie reproduziert werden (Boiten et al 1994). Eine mögliche Erklärung
dafür dürfte darin liegen, dass die Versuchpersonen stereotype Antwortmuster produzierten. Santibanez und Bloch (1986) beobachteten an ihren Probanden spezifische Atemantworten, während diese in sich bestimmte Gefühle in Erinnerung riefen, insbesondere Freude/Lachen, Trauern/Weinen,
Angst, Ärger, erotische Erregung und Zärtlichkeit. Mit Ausnahme der Zärtlichkeit lösten alle Gefühlserinnerungen unregelmässige Atemmuster aus.
Die erotische Erregung z.B charakterisierte sich anfänglich durch eine Abnahme der RR, gefolgt von einer Zunahme der RR sowie der Tiefe der Atmung. In einer nachfolgenden Untersuchung wurden junge Schauspieler
gebeten diese sechs gefühlsspezifischen Atemmuster sozusagen nachzuatmen und dabei jeweils den entsprechenden Gesichtsausdruck und die dazu passende Körperstellung zu mimen. Auf die Anfangsphase, in der Atmung und Gesichtausdruck der Schauspieler etwas roboterhaft ausfielen,
folgte eine spontane und natürliche Vokalisation und Gestik. Gemäss Bloch
et al. (1991) ist dies so zu deuten, dass das Nachstellen der Atmung und der
betreffenden Gestik in den Versuchspersonen jeweils das entsprechende
Gefühl induzierte, doch leider wurden diese Probanden dabei nicht nach ihren persönlich erlebten Gefühlen befragt.
Die faszinierende Konzeption, dass spezifische Atemmuster korrespondierende Gefühle wachrufen, wurde vom französischen Autor Artaud in „Le
Theatre et son double“ (1964) entworfen. Leider kann die oben beschriebene Versuchsanordnung dies nicht wissenschaftlich untermauern.
Ax (1953) studierte die Auswirkungen von Angst und Ärger auf das Atemmuster und kam dabei auf folgenden Befund: Die RR nahm bei Angst stärker
zu als bei Ärger, hingegen zeigte sich in der Atemtiefe kein Unterschied.
Schachter (1957) beobachtete allerdings eine starke Zunahme der RR bei
Angst und bei Ärger, wogegen Schmerz nur eine geringfügige RR-Zunahme
auslöste.
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Aus den erwähnten Abhandlungen wird ersichtlich, dass bis heute medizinisch nicht nachgewiesen werden konnte, ob spezifische Gefühle tatsächlich
eine spezifische Atemantwort auslösen. Schnelles tiefes Atmen scheint offensichtlich mit Aufregung (Excitement) verbunden zu sein (Lehmann 1914,
Rehwoldt 1911, Woodworth 1938). Aufregung kann als ein Aspekt verschiedener Gefühle auftreten, z.B. bei Angst, Ärger und Freude. Diese Gefühle
müssen aber nicht zwangsläufig Aufregung induzieren, Freude kann auch
still erlebt und Aufgeregtheit auch ohne spezifische Gefühle empfunden
werden. Aufregung ist gelegentlich mit einer grösseren Handlungsbereitschaft verknüpft und in diesem Fall als eine Art Vorbereitung zu einer ‚fight
and flight’-Reaktion zu verstehen (Boiten et al 1994). Dudley (1964) argumentierte, dass jegliche Veränderung der Ventilation primär im Zusammenhang mit Aktion bzw. Nicht-Aktion stehe. Obwohl verschiedentlich zwischen
Erregung (arousal), Aufregung (excitement) und Aktiviertheit unterschieden
wird, soll im weiteren Verlauf dieser Arbeit Erregung (arousal) der Aktiviertheit (zentral sowie peripher) gleichgesetzt werden.
Schnelles und oberflächliches Atmen stellt sich v.a. in Situationen ein, in denen eine inhibitorische Kontrolle ausgeübt wird und die einen hohen Grad an
Aufmerksamkeit erfordern. Dabei ist die Inspirationsrate (Vi/Ti) meist hoch,
d.h. es ist ein hoher Atmungsdrive vorhanden. Dieses Atemmuster zeigt sich
auch bei Angespanntheit, ängstlichem Vorgefühl oder bei Erwartung
(Skaggs 1930, Stevenson und Ripley 1952), ferner wenn eine Versuchsperson einem unangenehmen Gefühl widerstehen will (Lehmann 1914). Schnelles oberflächliches Atmen scheint mit Situationen verknüpft zu sein, die
Aufmerksamkeit, Angespanntheit oder Kontrolle beinhalten. Boiten (1993) ist
der Ansicht, dass Variationen der Atmungstiefe bei schnellem Atmen mit
einem Kontinuum zwischen Inhibition und Exitation korrespondieren.
Während die langsame, tiefe Atmung für Entspannung oder tiefe Schlafphasen charakteristisch ist (Wientjes 1993, Douglas et al 1982, Grossman
1983), wird langsames oberflächliches Atmen mit ruhiger Freude, aber auch
mit passivem Gram assoziiert (Averill 1969). Boiten (1993) interpretiert langsames oberflächliches Atmen mit reduziertem Atmungsdrive als Indikator
von Zuständen des ‚Sich-Zurückziehens von der Umwelt’ (withdrawl from the
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environment). Ein solches Atemmuster wurde von Walker et al. (1997) bei
länger andauernder, Passiv-Rauch-Exposition vorgefunden und von Danuser (zur Zeit im Druck, 2001) als Ausdruck des passiven, emotionalen Copings gewertet.
Der Schwerpunkt der Atmung – Brustkorb- oder Bauchatmung - variiert entlang der Valenz-Dimension angenehm-unangenehm. Ausserdem könnte hier
ein Zusammenhang mit der inhibitorischer Kontrolle bestehen, wobei ein
Vorherrschen der Brustkorbatmung mit einem unangenehmen Gefühl der
Angespanntheit oder Ängstlichkeit, ein Vorherrschen der Bauchatmung hingegen mit einem angenehmen Gefühl der Entspanntheit in Zusammenhang
gebracht wird (Ancoli und Kamiya 1979, Ancoli et al 1980, Lum 1976, Svebak 1975).
Tatsächlich scheint es nicht einfach bloss das Gefühl, das die Atemantwort
determiniert, sondern vielmehr die Aktionsbereitschaft, die Erregung, die
Notwendigkeit von Kontrolle. Oder auch das Gegenteil: die Entspannung,
das Sich-Gehenlassen, die Passivität. Mehrabian und Russel (1974) entwickelten ein semantisches Differential, das es ermöglicht Emotionen in drei
Dimensionen zu erfassen: Valenz (angenehm – unangenehm), Arousal (erregend – langweilig) und Dominanz (Kontrolle haben - kontrolliert werden).
Zum selben Zweck entwarf Lang (1980) sein grafisches Differential, das sog.
‚Self-Assessment Manikin’ (SAM) und liess bis anhin 500 Bilder einschätzen
auf
Grund
der
Gefühle,
welche
diese
Bilder
induzierten.
SAM-
Einschätzungen korrelieren hochgradig mit dem semantischen Differential
(Bradley und Lang 1994). Es stellt sich nun die Frage, ob diese drei Gefühlsdimensionen auch mit der Atemantwort korrelieren.
Die Eigenschaft das Erleben und Handeln vorrangig an der Aussenwelt zu
orientieren bzw. an der Innenwelt ist von Person zu Person äusserst unterschiedlich. C.G Jung (1960) und H.J Eysenck (1981) prägten dafür die Begriffe Extraversion und Introversion. Wenn die Atmung tatsächlich ein Abbild
der Reaktionsbereitschaft und/ oder der Kontrolle darstellt, so müssten die
Atemantworten Introvertierter und Extravertierter auf induzierte Gefühle unterschiedliche Ausprägungen annehmen. Auch andere PersönlichkeitsvariaI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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beln - wie Neurotizismus - könnten demnach Auswirkungen auf die Atemantwort haben. Daher wird im Experiment „Auswirkungen induzierter Gefühle“ den Fragen nachgegangen, ob die oben beschriebenen Gefühlsdimensionen die Atemantwort auf induzierte Gefühle bestimmen und inwieweit die
Persönlichkeitsvariable Extraversion – Introversion einen Einfluss auf die
Atemantwort ausübt. Zur Induktion der Gefühle wurden Bilder aus dem International Affective Picture-System (IAPS, Center for the Study of Emotion
and Attention 1995) herausgegriffen.
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4 Methodik
4.1 Das Atemmuster
Das Atemmuster lässt sich einerseits als Beziehung zwischen dem Atemzugvolumen und seiner Volumenelemente sowie der Ein- und Ausatmungszeit, andererseits durch die Variabilität der einzelnen Parameter definieren.
Atemmuster charakterisieren sich dementsprechend durch eine Volumenund Zeitkomponente sowie durch die Bewegungskomponenten des Brustkorbes und des Abdomens (Tobin 1992). Das Atemmuster kennzeichnet
beinhaltet aber auch Zeitreihenkomponenten und kann Oszillationen beeinhalten (Brusil et al 1980). Das Atemmuster und seine Parameter sind in Abb.
2 dargestellt.
Die Minutenventilation (Vmin) bzw. das Volumen, das pro Minute eingeatmet
wird, setzt sich aus der Atemfrequenz oder -rate (RR) und dem Atemzugvolumen (Vt) zusammen: Vmin = RR x Vt.
In eleganten Studien untersuchten Clark und Euler (1972) die Zusammenhänge zwischen der Atemtiefe (Vt) und -länge der in- und exspiratorischen
Phasen und legten damit den Grundstein für die Erforschung des Atemmusters. Diese Arbeit wurde von Milic-Emili und Grunstein (1976) weitergeführt,
wobei die Gleichung der Minutenventilation neu formuliert wurde. Da die Atemrate (RR) als 1 geteilt durch die Dauer des Atemzyklus (Ttot) verstanden
werden kann, gilt: Vmin = Vt x 1/Ttot. Wird Das Atemzugvolumen (Vt) durch
die Inspirationszeit (Ti) geteilt und 1/Ttot mit Ti multipliziert, so ergibt sich:
Vmin = Vt/Ti x Ti/Ttot.. Der erste Parameter - Vt/Ti
-
wird mittlere inspiratori-
sche Flussrate oder Inhalationsfluss (eigentlich Vi/Ti) und der zweite - Ti/Ttot
- fraktionale Inspirationszeit genannt. Vi/Ti wird als Mass für den Einatmungsantrieb verstanden. Vi/Ti bezeichnet die mechanische Transformation
der neuralen Aktivität und korreliert gut mit standardisierten Kennzeichen
des Atmungszentrums. Die fraktionale Inspirationszeit Ti/Ttot ist das Mass
für das Verhältnis zwischen der Einatmung und der Ausatmung und kann
einen groben Hinweis auf eine Verengung der Atemwege darstellen.
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Abbildung 2: Die Parameter eines Atemzuges, einmal als Fluss-Zeitkurve, einmal als
Volumen-Zeitkurve dargestellt.
Konno und Mead (1967) gingen davon aus, dass die Lunge in Bezug auf
ihre mechanische Bewegung aus zwei Kompartimenten zusammengesetzt
ist und zeichneten die Bewegung des Rippenkompartimentes (RC) und des
abdominellen Kompartimentes (AB) auf einem X-Y-Diagramm auf. Dies erlaubte gleichzeitig die Bestimmung der relativen Bewegung der beiden
Kompartimente.
Modell der Volumenveränderung nach Konno und Mead (1967)
∆V = α ∆RC + β ∆AB
wobei
α, β = Korrekturfaktoren des Brustkorbes bzw. des Bauches (sog. volumemotion-coefficients) darstellen.
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Mittels Eichung der Bewegung bei Volumenverschiebungen in der Lunge
wurde es möglich, die Anteile der Kompartimente eines Atemzuges zu beschreiben und das Atemzugvolumen über die Bewegungsveränderung zu
erfassen. Beim Einatmen vergrössern sich beide - RC und AB - und beim
Ausatmen verkleinern sie sich, bis sie wieder die Ruhestellung erreichen.
Abnormale Bewegungen können in drei Formen unterteilt werden:
1. Asynchrone Bewegung, bei der sich beide Kompartimente in die gleiche
Richtung bewegen, wobei jedoch die Bewegungsrate unterschiedlich ist.
2. Paradoxe Bewegung, bei der sich entweder das eine oder das andere
Kompartiment in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Daraus resultiert
ein minimales Atemzugvolumen.
3. Variationszunahme der relativen Anteile der zwei Kompartimente von
Atemzug zu Atemzug, was sich mit der Zuhilfenahme akkzessorischer Atemmuskeln erklären lässt (Roussos 1982).
Paradoxe Bewegungen des RC sind charakteristisch für Patienten mit
Hirnstrangläsionen, während sich bei Patienten mit einer Zwerchfelllähmung
eine paradoxe Bewegung des AB-Kompartimentes zeigt. Eine inspiratorische Belastung der Atmung kann paradoxe Bewegungen verursachen (Tobin et al 1987). Paradoxe Bewegungen verursachen ein schlechteres Kosten-Nutzen-Verhältnis der Atemarbeit.
Die Aufzeichnung der Bewegungselemente ermöglicht es auch eine eventuelle Veränderung der end-exspiratorischen Ausgangslage im RC- und im
AB-Kompartiment zu beschreiben (Yan et al 1996).
Die Analyse des Atemmusters stellt ein Instrument zur Erfassung der neuromuskulären Regulation der Atmung und ihrer Beeinflussung dar. Das Erfassen der beiden Kompartimente erlaubt detailliertere Aussagen über das
Zustandekommen des Atemzugvolumens sowie über die Koordination zwischen Tiefe und Frequenz der Atmung. Zusätzlich können durch detailliertere chronologische Autokorrelationen kompensatorische oder verstärkende
Oszillationen unter Belastung erkannt werden (Brusil et al 1980).
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4.1.1 Messmethoden
4.1.1.1 Direkte Messung
Das Atemmuster kann über einen Spirometer oder einen Pneumotachographen direkt gemessen werden. Dies setzt jedoch voraus, dass durch
ein Mundstück in das Messinstrument geatmet wird. Nun hat aber ein Mundstück an sich schon Auswirkungen auf das Atemmuster. Wird also durch ein
Mundstück geatmet, so nehmen sowohl VT als auch Ttot während leichter
bis mittelschwerer Arbeit verglichen mit unbeeinflusstem Atmen zu (Peak
und McCool 1992, Bloch et al 1995, Gilbert et al 1972). Dieser Mundstückeffekt verringert sich bei zunehmend schwererer Arbeit und ist bei 100 W für
VT und bei 75 W für Ttot nicht mehr signifikant (Bloch et al 1995). Auch bei
zunehmender CO2-Stimulation verkleinerte sich der Mundstückeffekt entsprechend (Weissmann et al 1984). Körperliche anstrengende Arbeit oder
hohe CO2-Ventilationsbedürfnisse scheinen demnach den MundstückStimulus zu überrollen. Perez und Tobin (1985) propagieren, dass der
Wechsel von nasaler zu oraler Atmung den wichtigsten Faktor für die Veränderungen der Ventilation unter Mundstückatmung darstelle. Der Wechsel
von der Nasen- zur Mundatmung unter Arbeitsbelastung erfolgt an einem
Umschlagpunkt von ungefähr 35 L/min (Niimiaa et al 1980). Diese Minutenventilation setzt bereits eine recht hohe Arbeitsbelastung voraus, so dass die
obigen Daten (Bloch et al. 1995) mit diesem Umschlagspunkt übereinstimmen dürften. Je nach Fragestellung ist es daher wesentlich eine Messmethode zu wählen, für die kein Mundstück erforderlich ist.
4.1.1.2 "Impedance Pneumography"
Zwei Standard-EKG-Elektroden werden auf der Brustwand platziert. Sie dienen gleichzeitig als Sender und Empfänger eines alternierenden Stromes
zwecks Berechnung der Impedanz (Askanazi et al 1978). Die dadurch erzeugte Wellenform ist qualitativ gleichwertig wie die mittels Spirometrie aufgezeichnete Wellenform. Das Instrument ist jedoch nicht im Stande quantitative Volumenmessungen zu liefern (Tobin 1986) und ist auch nicht besonders gut geeignet zur Bestimmung der Atemfrequenz (Sackner und Krieger
1985).
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4.1.1.3 "Mercury-in-silastic strain gauges"
Dieser Tranducer besteht aus einem mit Quecksilber gefüllten Gummischlauch, der um die Brustwand geschlungen wird (Tobin 1986). Veränderungen in der Länge und im Durchmesser der Quecksilbersäule beeinflussen
den elektrischen Widerstand. Diese Quecksilbersäulen stellen einen Teil
einer ausbalancierten Wheatstone-Brücke dar. Variationen im elektrischen
Widerstand verändern das Gleichgewicht der Brücke und werden aufgezeichnet. Ohne Körperbewegungen lässt sich das Atemzugvolumen mit Hilfe
dieser Technik recht genau erfassen; dennoch wird sie wahrscheinlich wegen des Sicherheits-Risikos des vielen Quecksilbers kaum eingesetzt.
4.1.1.4 "Magnetometer"
Magnetometer messen die Veränderungen im Durchmesser des Brustkorbes (RC) und des Abdomens (Ab) während der Atmung (Mead et al 1967).
Ein alternierender elektrischer Strom generiert ein elektromagnetisches Feld,
das registriert wird. Die Signale von RC und AB werden summiert und liefern, wenn sie geeicht sind, ein zuverlässiges Mass für das Atemzugvolumen. Diese Technik hat sich im Labor als überaus geeignet erwiesen und
wird insbesondere in der Atemmechanikforschung eingesetzt (DeTroyer
1984, Estenne und DeTroyer 1990, Levine et al 1991, Yan et al 1996). Relativ geringe Veränderungen in der Körperposition verändern den anteriorposterioren Durchmesser, was bedingt, dass eine neue Volumeneichung
durchgeführt werden muss.
4.1.1.5 "Respiratory inductive plethysmography" (RIP)
Das RIP ist das am meisten gebrauchte und akzeptierte Instrument zur qualitativen und quantitativen Erfassung von Atemmustern. Zwei isolierte Induktionsspulen werden in Bänder eingenäht, welche um RC und AB festgebunden werden. Die Selbstinduktion der Spulen ist proportional zum Querschnitt
der von der Spule umfassten Fläche. Verändert sich die Fläche, so verändert sich auch die Induktion. Die Spulen sind mit einem kleinen Oszillator
verbunden, welcher frequenzmodulierte Signale aussendet, die sich proportional zu den Veränderungen der Selbstinduktion der Spulen verhalten. Die-
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se Signale werden mittels eines Demodulators in einen proportionalen Strom
umgewandelt, verstärkt und aufgezeichnet.
• Die Eichung des RIP basiert auf den Annahmen von Konno und Mead
(1967), wie oben beschrieben. Dieses Konzept der beiden Freiheitsgrade
bildet auch die Basis der verschiedenen Eichtechniken, die bei Tobin (1992)
im Detail beschrieben sind. Will man das Atemmuster mit Hilfe des RIP aufzeichnen bzw. erfassen, so ist zunächst eine Bestimmung der Volumemotion-Koeffizienten vorzunehmen. Im Folgenden wird das Eruieren dieser
Koeffizienten als „interne Kalibrierung“ bezeichnet. Je nach Gerätetyp bzw.
Hersteller werden unterschiedliche Kalibrierungsverfahren angewendet.
Wie bei allen nicht-flowbasierenden Messmethoden ist bei der Induktionsplethysmographie - wenn quantitative Volumendaten wesentlich sind mittels einer spirometrischen oder pneumotachografischen Paralellmessung
ein Volumeneichfaktor zu bestimmen und nämlich für jede zu messende
Person.
Die Induktionsplethysmographie (RIP) weist ein breites Einsatzspektrum auf
und ist mit Gewissheit das am meisten eingesetzte nicht-invasive Atemmuster-Erfassungsgerät. Das in der Folge benutzte Gerät (Respitrace) funktioniert nach dem Prinzip der Induktionsplethysmographie.
4.1.2 Einfluss der Körperhaltung auf die Volumenerfassung
Eine Veränderung in der Körperhaltung schlägt sich unmittelbar in den Parametern der äusseren Atmung nieder, die durch das Respitrace erfasst
werden (Sackner 1980). Bereits 1983 stellte Zimmermann et al fest, dass
das (im vorangehenden Kapitel erläuterte) Lungen-Modell von Konno und
Mead (1967) mit zwei Freiheitsgraden einer Ergänzung um mindestens einen weiteren Freiheitsgrad bedurfte, nämlich die Körperposition.
Bei einem Haltungswechsel verändert sich einerseits die Grösse der Korrekturfaktoren α und β (im Modell der Volumenänderung von Konno und Mead),
andererseits wird bei unterschiedlichen Beugewinkeln des Rumpfes auch die
Längsachse des Brustkorbes beeinflusst (Veränderung in der Z-Richtung)
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(Zimmermann et al 1983). Bei Haltungswechsel müsste das Modell von
Konno und Mead (1967) durch die gewichteten Veränderungen in der ZRichtung ergänzt werden:
∆V = α ∆RC + β ∆AB + χ ∆Z
wobei:
α, β = Korrekturfaktoren (sog. volume-motion-coefficients) des Brustkorbes
bzw. Bauches und χ = Korrekturfaktor des Rumpfes
Vor einer Messung sind diese Korrekturfaktoren zu ermitteln. Diese Ermittelung wird fortan als interne Kalibrierung bezeichnet. Dabei werden verschiedene Volumenabgleichungstechniken angewandt.(Tabelle 3)
Methode
ISVa
Prinzip
Spezielle Atemtechnik
QDCb
5 Min. ruhige Atmung zur -1 Freiheitsgrad
Ermittlung spezieller Stan- -1 Körperhaltung
dardabweichungen (statis- - 2 Kalibrierungs-schritte
tisches Verf.)
- Erster Schritt der Kalibrierung kann ohne paralelle Messung mit Spirometer oder Pneumo.
erfolgen
MLRc
Regressionstechnik
Statistisches Verfahren
-2 Freiheitsgrade
-1 Körperhaltung
- Statistisch recht aufwendig
LSQd
Statistisches Verfahren
(Least Square Means)
-2Freiheitsgrade
-2 Körperhaltungen
-2 Gleichungen
- Körperhaltungswechsel bei Kranken
problematisch
- Robuste Methodef
Mathematische
Umfor- -2 Freiheitsgrade
mung; Verfahren aus LSQ -2 Körperhaltungen
abgeleitet
-2 Gleichungen
- Körperhaltungswechsel bei Kranken
problematisch
SEQ
a
e
Zimmermann 1983,
b
Sackner 1989,
Kennzeichen
-1 Freiheitsgrad
-1 Körperhaltung
-1 Kalibrierungs-schritt
c
Verschakelen 1989,
d
Probleme
- Richtige Durchführung
des Atemmanövers ist
schwierig
- Gaskompression verfälscht die Kal.d
Millman 1986,
e
Cohn 1982,
f
Tobin
1992
Tabelle 3: Prinzipien, Kennzeichen und Problematik der verschiedenen Kalibrierungsmethoden
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 67 -
Neuere Respitrace-Modelle verwenden dafür das QDC-Verfahren (Qualitative Diagnostic Calibration), welches standardmässig eingebaut ist. Die Prinzipien, Kennzeichen und Probleme der verschiedenen internen Kalibrierungsmethoden sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Es stellt sich also die Frage ob Respitrace-Werte nach Änderung der ursprünglichen Körperposition (interne Kalibrierungs-Position) hinsichtlich des
Atemzugvolumens in der neu eingenommenen Position überhaupt noch
aussagekräftig sind. Mit anderen Worten: Liefert das Respitrace nur bei
gleichbleibender Körperhaltung eine Aussage über das Atemzugvolumen
und muss bei jeder Veränderung der Körperposition neu intern kalibriert
werden?. Verschiedenste Forscher haben sich dieses Problems schon angenommen insbesondere auch zwecks Ermittlung des genauesten internen
Kalibrations-verfahrens (LSQ/SEQ/ISV/QDC), das die Korrekturfaktoren für
Brustkorb und Abdomen bei einer gegebenen Position ermittelt. Tabelle 4
zeigt eine Übersicht die vorgefundenen Arbeiten, die den Einfluss von Positionsänderungen auf das gemessene Atemzugvolumen bereits untersuchten. Das mittels Respitrace erfasste Volumen wird dabei mit parallel dazu
aufgenommenen direkten Volumenmessungen verglichen. Direkte Volumenmessungen werden meist mit einem Pneumotachographen oder einem
Spirometer aufgezeichnet.
Die in Tabelle 4 aufgelisteten Untersuchungen implizieren, dass der Einfluss
des Positionswechsels vernachlässigbar klein ist. Insbesondere, wenn man
bedenkt, dass eine 100% Übereinstimmung infolge der unterschiedlichen
Messmethoden niemals erzielt werden kann. Die Positionswechsel im Liegen - von der Dekubitushaltung auf den Rücken und auf den Bauch - üben
wenig Einfluss auf die Genauigkeit der Respitrace-Volumen aus. Hingegen
zeigt sich beim Positionswechsel vom Liegen zum Sitzen doch ein erheblicher Einfluss: Hier liegen nur noch 58% der Respitrace-Werte im Abweichungsbereich von ±20% der pneumotachographisch ermittelten Volumen
(Sackner 1989). Diejenigen Untersuchungen, die als interne Kalibration QDC
benutzten, weisen einen deutlichen Positionseinfluss auf (Sackner 1989).
Sackner stellte auch fest, dass einige Probanden in den 5 untersuchten Körperpositionen ein Kopartiment bevorzugten - entweder die Brust- oder die
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 68 -
Bauchatmung -, wohingegen die meisten Probanden mit beiden Kompartimenten normal weiteratmeten. Während die Atemzüge der ‚Normalatmenden’ zwischen Respitrace und Pneumotachograph maximal 20% Abweichungen aufwiesen, zeigten sich z.T. bei jenen Probanden, die den Ort der
Atmung geändert hatten, 30-40% Abweichungen.
Interne
Kalibration
LSQ (a)
Kalibrierungsposition
Neue Position(en)
Vergleich mit
Pneumotachograph
In Rückenlage und ste- Bauchlage, re und li 89% von Resp.
hend
Dekubitushaltung, Rumpf < 10% von Pneum.
gebeugt,
Sitzen
und
Stehen
SEQ (a)
In Rückenlage und ste- Bauchlage, re und li 91% von Resp.
hend
Dekubitushaltung, Rumpf < 10% von Pneum
gebeugt,
Sitzen
und
Stehen
SEQ (b)
In Rückenlage und ste- Sitzen, Stehen, Liegen 88% von Resp.
hend
Rücken und Bauch, De- < 10% von Pneum
kubitushaltung
und
Rumpf gebeugt (45°)
SEQ (b)
In Rückenlage und ste- Sitzen, Stehen, Rumpf 90% von Resp.
hend
30°,90° n.v. gebeugt und < 10% von Pneum
30° n.h. Torsion des
Rumpfes um 30° n.re und
li
SEQ (b)
In Rückenlage und ste- Rumpf 90° n.v. gebeugt
86% von Resp.
hend
< 10% von Pneum
ISV (b)
Sitzen, Stehen, Rumpf 86% von Resp.
30°,90° n.v. gebeugt und < 10% von Pneum
30° n.h. Torsion des
Rumpfes um 30° n.re und
li
QDC (c)
In Rückenlage
li Dekubitushaltung
87% von Resp.
< 20% von Pneum
QDC (c)
In Rückenlage
re Dekubitushaltung
90% von Resp.
< 20% von Pneum
QDC (c)
In Rückenlage
Bauchlage
76% von Resp.
< 20% von Pneum
QDC(c)
In Rückenlage
Sitzen
58% von Resp.
< 20% von Pneum
QDC (c)
In Rückenlage
Liegen
90% von Resp.
< 10% von Pneum
a) Chadha 1982, b) Cohn 1982, c) Sackner 1988
Tabelle 4: Einfluss des Positionswechsels auf die Genauigkeit der Volumenmessung
mittels Respitrace
Über den Einfluss der Kalibrierungsposition innerhalb der verschiedenen
Sitzpositionen wurden keine Studien vorgefunden. Wie aus Tabelle 4 zu
entnehmen ist, wurden mehrheitlich klinisch relevante Liegepositionen untersucht und der Begriff Sitzen wurde nicht genau definiert. Wir stellten uns
daher die Frage, wie das Wechseln der Sitzposition die Volumenwerte beI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 69 -
einflussen würde. Insbesondere für Messungen am Arbeitsplatz sind Wechsel in der Sitzposition von grosser Bedeutung.
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wiss. Arbeit
- 70 -
4.2 Experimentelle Untersuchung I: Einfluss von Positionswechsel
Fragestellung: Beeinflusst eine Veränderung der Sitzposition - verglichen mit
der Position, in der die volume-motion-Koeffizienten kalibriert wurden (Kalibrierungsposition) - bei anthropometrisch ähnlichen jungen Männern (siehe
Tabelle 5) das mittels Respitrace erfasste Atemzugvolumen unter kontrollierten klimatischen Bedingungen?
Zusätzlich sollte das Experiment folgende Fragen klären: Wo liegen die Fehlerquellen im Umgang mit den riesigen Datenmengen? Welche Schritte sind
mit grossen Unsicherheiten verbunden? Was muss technisch unternommen
werden um valide Daten zu erhalten.
Parameter
Einheit
Mittelwert
SD
Alter
Körpergrösse
Körpergewicht
Body Mass-Index
Unterschenkellänge
Sitzhöhe
Gesäss-Knielänge
Sitztiefe
RC-Inspiration
RC-Exspiration
Abdomen-Inspiration
Abdomen-Exspiration
Manubrium-Xiphoid
Xiphoid-Nabel
FVC
FEV1
FEV1/FVC
Peakflow
FEF 25-75
Vitalkapazität
Atemgrenzwert
Jahre
M
Kg
kg/m2
Cm
Cm
Cm
Cm
Cm
Cm
Cm
Cm
Cm
Cm
l (%pred)
l (%pred)
%
l/min (%pred)
l/min (%pred)
l (%pred)
l/min (%pred)
27.8
1.79
73.4
22.8
56.2
47
59.1
47.8
96.7
91.7
84.5
79.0
17.8
18.5
6.1 (112.9)
5.0 (108.0)
82.4
9.6 (117.9)
5.8 (101.0)
5.5 (102.)
185.9 (101.9)
3.71
0.05
11.0
2.68
1.46
1.68
4.72
2.93
4.18
4.76
6.87
7.39
2.36
2.38
0.6 (9.4)
0.2 (5.0)
7.0
2.8 (25.4)
1.5 (17.3)
0.7 (11.5)
31.7 (19.1)
Tabelle 5: Charakteristika der 8 Versuchspersonen
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 71 -
Versuchsbeginn
Vorheizen & Eichen, anthropometrische und
orthopädische Untersuchungen
sowie Lungenfunktionsmessungen
Auffälligkeiten
bzgl. Anatomie
oder Atmung?
ja
nein
Einstellung des Sitzmobiliars,
Anlegen der Messbänder
Kalibrierungslauf in vorderer Sitzhaltung
Kalibrierungslauf in hinterer Sitzhaltung
Sitzparcours
Sitzparcours
Dynamischer Kalibrierungslauf
Sitzparcours
Kalibrierungslauf in mittlerer Sitzhaltung
Sitzparcours
Versuchsende
Abbildung 3: Ablauf eines gesamten Versuches
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 72 -
4.2.1 Methodik:
Experimenteller Versuch mit 8 jungen männlichen Versuchspersonen, die
einen Sitzparcours absolvierten, wobei das Atemzugvolumens Vt mittels
Respitrace plus (NIMS, FL, USA) und Pneumotachographen (cardiorespiratory System, MedGraphics, MN, USA) simultan erfasst wurde. Insgesamt absolvierte jede Versuchsperson - gemäss Abbildung 3 - vier Kalibrierungsläufe und je anschliessend einen Sitzparcours.
4.2.1.1 Sitzpositionen:
Als Körperhaltungen wurden verschiedene Sitzpositionen aus dem Büroalltag übernommen (Tabelle 6)
Sitzposition
Abk.
Einstellung
Hintere Sitzhaltung
HSH
Mittlere Sitzhaltung
MSH
Vordere Sitzhaltung
VSH
Zusammengeklappte
Sitzhaltung
ZSH
120° zwischen Rücken- Körperschwerpunkt liegt hinter
lehne und Sitzfläche
der Rumpfmitte; eine der drei
Grundpositionen
100° zwischen Rücken- Körperschwerpunkt liegt über der
lehne und Sitzfläche
Rumpfmitte; eine der drei Grundpositionen
80° zwischen Rücken- Körperschwerpunkt liegt vor der
lehne und Sitzfläche
Rumpfmitte; eine der drei Grundpositionen
Winkel zwischen Rumpf Stellt Aufheben bzw. Herausund OS beträgt zw. 5nehmen einer Sache aus einer
10°
unteren Schublade dar.
105° zwischen Rücken- Simuliert eine der diversen
lehne und Sitzfläche
Stuhleinstellungen
Rumpf 90° nach rechts Beschäftigung an einem Arbeitgedreht
platz in L-Form, sprechen mit
dem Büronachbar
Rumpf 90° gegenüber
Wichtige Position im Steh-SitzHorizontalen geneigt
Konzept
(aufrecht)
Rumpf 60° gegenüber
Andere Stehsitzeinstellung
Horizontalen gebeugt
Sitzfläche nach unten SFU
geneigt
Torsion des Rumpfes TR
Stehsitzhaltung mit
mittlerer Rumpfposition
Stehsitzhaltung mit
vorderer Rumpfposition
SSM
SSV
Kommentar
Tabelle 6: Beschreibung der berücksichtigten Sitzpositionen (OS = Oberschenkel)
Die ausgewählten Einstellungen der Bürostühle erfassen auf der einen Seite
die vordere, mittlere und hintere Sitzhaltung - je nachdem, ob der Körperschwerpunkt vor, über oder hinter der Rumpfmitte liegt. Auf der anderen Seite enthält der Sitzparcours aber auch Positionen, die bestimmte Situationen
aus dem Büroalltag simulieren sollen. Eine Position, bei der der Rumpf beiI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 73 -
nahe die Oberschenkel berührt, soll z.B. das Aufheben eines Gegenstands
vom Boden bzw. das Herausnehmen von Utensilien aus einer unteren
Schublade darstellen.Vier Bürostühle (Typ Pronto, Fa Girsberger) mit unterschiedlichen Winkeln zwischen Rückenlehne und Sitzfläche wurden derart
angeordnet, dass die Probanden insgesamt sechs statische Körperhaltungen und eine daraus abgeleitete dynamische Körperbewegung einnehmen
bzw. ausüben konnten. Zusätzlich wurde ein Stehsitz aufgestellt, der die
Möglichkeit bot, weitere Winkel zwischen Rumpf und Oberschenkel in vertikaler Richtung zu untersuchen.
4.2.1.2 Statistik:
Für jeden Probanden wurde für jede Sitzposition getrennt nach den 4 Kalibrierungsbedingungen die lineare Korrelation der Respitrace-Daten mit den
Pneumotachographen-Daten berechnet. Die Korrelation der Kalibrierungssitzposition wurde als die eigentlich „wahre“ angeschaut. Wenn diese ein r
von 0.6 nicht erreichte, wurden die Daten dieses Probanden für den betreffenden Sitzparcours verworfen. Die Korrelationsparameter der verschiedenen Sitzpositionen wurden an Hand von Varianzanalysen mit Wiederholungen untersucht.
4.2.2 Resultate
Tabelle 7 stellt die Matrix der Regressionskoeffizienten zwischen RespitraceVolumen und Volumen des Pneumotachographen für das Atemzugvolumen
der einzelnen Kalibrations- und Sitzbedingungen dar.
Die ANOVA über die drei Hauptsitzpositionen (HSH, MSH, VSH) und die 4
verschiedenen Kalibrierungen zeigt keinen Unterschied zwischen den ermittelten Korrelationen auf (f (3/20) 0.96 p>0.4).
Wenn alle Sitzpositionen einbezogen werden, sehen die Ergebnisse anders
aus. Wird der Einfluss der Sitzposition für jeden Kalibrierungslauf einzeln
untersucht, so erweist sich die ANOVA als hoch signifikant (f (7/50) 3.65,
p<0.001), d. h. die Beziehung zwischen Respitrace-Volumen und Pneumotachographen-Volumen verändert sich.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 74 -
Rg. Kal.
b0
HSH
MSH
VSH
SFU
SSM
SSV
TR
ZSH
172.3*
179.6*
164.9*
230.7
227.6
339.8
191.5
229.6
0.71
0.72
0.79
0.60
0.64
0.54
0.52
0.60
270.1
260.2
282.3
155.2
275.1
353.7
-26.9
129.1
0.74
0.77
0.79
0.63
0.52
0.51
0.93
0.60
Msh
278.4
288.1
313.8
347.7
341.9
368.1
267.7
280.1
0.68
0.63
0.65
0.46
0.43
0.44
0.45
0.36
Vsh
288.1
249.4
325.1
152.0
158.5
188.2
48.9
226.0
0.79
0.78
0.71
0.67
0.64
0.67
0.86
0.52
dyn
b1
b0
Hsh
b1
b0
b1
b0
Eingenommenen Körperposition
b1
HSH: = hintere Sitzhaltung
SFU = aufrecht, mit nach unten geneigter Fläche
MSH = mittlere Sitzhaltung
SSM = Stehsitz mit senkrechtem Rumpf
VSH = vordere Sitzhaltung
SSV = Stehsitz nach vorne geb.
TR = Torsion des Rumpfes
ZSH = zusammengeklappte Haltung
b1 = Regressionskoeffizient, b0 = Interzept
Tabelle 7: Regressionskoeffizienten und Interzepte (Besser Plural!!) aufgeschlüsselt
nach Kalibrierungsposition und eingenommener Körperhaltung
Abbildung 4 zeigt diejenige Abweichung der Respitrace-Volumenwerte in
Prozenten, die ± 20% von der ermittelten Regressionsbeziehung in der Kalibrierungsposition HSH und VSH abweichen und zwar aufgeschlüsselt nach
den einzelnen Sitzpositionen.
hsh/HSH
29.87
30
25
% Abweichung
20
18.6
14.9
15
10
6.34
4.5
5
2.03
0
MSH
VSH
SFU
SSM
SSV
TR
ZSH
-5
-10
-8
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 75 -
vsh/VSH
30
24.3
25
20
%Abweichung
15.46
15
11.7
10
5
0.12
0
MSH
-1.73
HSH
-2.3
SFU
SSM
SSV
TR
ZSH
-5
-10
HSH: = hintere Sitzhaltung
MSH = mittlere Sitzhaltung
VSH = vordere Sitzhaltung
TR = Torsion des Rumpfes
-8.3
SFU = aufrecht, mit nach unten geneigter Fläche
SSM = Stehsitz senkrechter Rumpf
SSV = Stehsitz nach vorne gebeugt.
ZSH = zusammengeklappte Haltung
Abbildung 4: % Anteil der Abweichungen, die über ± 20% von der ermittelten Regressionsbeziehung in der Kalibrierungsposition HSH (vordere Abb.) und VSH liegen
Bei allen Kalibrierungsläufen zeigt sich deutlich, dass die extremen Sitzpositionen einen signifikanten Einfluss auf die Beziehung zwischen RespitraceVt und pneumotachographisch ermitteltem Vt ausüben.
Da argumentiert wird, dass der motion-coefficient des RC- und des ABKompartimentes sich je nach Sitzposition verändert, sind in Tabelle 8 die
RC-Anteile am Volumen als Mittelwerte mit SD aufgelistet. In den normalen
Sitzhaltungen findet sich kein Unterschied zwischen den RC Anteilen. Die 3
Kalibrationspositionen üben bei diesen Positionsänderungen keinen unterschiedlichen Einfluss aus. Vor allem bei den beiden Stehsitzhaltungen wird
der RC-Anteil bedeutend grösser und der Abdomen Anteil somit deutlich
kleiner, d.h. dass der Abdomenanteil bei offnerem Bein-Hüftwinkel unterschätzt wird. Bei der zusammengeklappten Haltung ist auffällig, dass die
Standardabweichung zunimmt, was bedeutet, dass diese Sitzposition indiviI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 76 -
duell sehr unterschiedliche Auswirkungen hat. In einer gegebenen Position
sind die Werte nicht verschieden, so dass der Einfluss der Kalibrierungspositionen auf den registrierten RC-Anteil gering war. Bei extremen Positionen
muss in dieser Position kalibriert werden, will man einen adequaten RCAnteil-Wert erhalten:
Kalibrierung.
Sitzpositionen
MSH
HSH
VSH
SFU
SSM
SSV
45(7)
40(9)
45(8)
40(6)
65(23)*
28(9)*
43(6)
41(7)
45(7)
39(8)
72(18)*
32(11)*
43(7)
43(6)
48(12) 39(7)**
71(15)*
34(9)*
ns
ns
ns
ns
ns
ns
* p<0.05 verglichen mit den üblichen Sitzpositionen (MSH, HSH, VSH),
schen VSH Position, alle Werte einer Spalte sind statistisch gleich.
msh
hsh
vsh
TR
ZSH
39(11) 24(12)
36(11) 27(9)
41(7)
29(10)
ns
ns
** p<0.05 nur zwi-
Tabelle 8: RC-Anteil am Vt in % (Mittelwert (SD)
Dies (Tabelle 8) unterstützt die Argumentation, dass die Fehleinschätzung
des Volumens bei veränderter Körperposition durch nicht-adequate motion
coefficients (α,β) bedingt ist. Es versteht sich von selbst, dass diese Positionsfehlerquellen sich auf alle volumenbasierten Parameter - wie Atemminutenvolumen und Inspirationsfluss - auswirken.
4.2.3 Diskussion
Für experimentelle Versuche in gleicher Körperposition mit kleineren Positionsänderungen kann das Respitrace, wenn in dieser Haltung kalibriert, adequate Volumendaten liefern. Wenn nun aber das Respitrace an einem Büroarbeitsplatz angewendet würde, so müssten die Extrempositionen z.B. mittels Video erfasst werden, um die in dieser Position aufgezeichneten Werte
korrigieren oder verwerfen zu können. Bei den leichten Positionsveränderungen zwischen der mittleren, vorderen und hinteren Sitzhaltung kann jedoch von einer Korrektur abgesehen werden.
Wie schon Peak et al (1990) zeigten, überschätzt das Respitrace bei den
gebeugten Körperpositionen - also bei einem verengten Becken-OberkörperWinkel - die Volumina. Durch diese Verengung verändern sich die Grenzen
der Abdominalhöhle (AB), das Brustkorb Kompartiment (RC) verlegt sich
kaudal und die axiale Dimension der vorderen AB-Wand wird schmäler.
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Danuser
- 77 -
Demzufolge wird ein kleinerer Teil der AB-Höhle durch die vordere Wand
begrenzt und die äusseren AB-Veränderungen nehmen zu. Eine gegebene
Volumenveränderung des AB-Kompartimentes führt zu einer grösseren Bewegung der AB-Wand nach aussen hin. Der volume-motion-Koeffizient b
wird objektiv kleiner. Dies zeigen unsere Resultate aus Untersuchungen bei
Probanden in gebeugten Sitzpositionen (ZSH = zusammengeklappte Haltung, SSV = Stehsitzhaltung mit vorderer Rumpfposition) deutlich. Auch
Zimmermann et al (1983) konstatierten diese Veränderungen beim Wechsel
von der aufrechten in die sitzende und in die liegende Körperstellung.
Die Bestimmung der volume-motion-Koeffizienten wurde hier mit der QDCMethode durchgeführt, welche fest im Respitrace integriert ist; die Grösse
der Koeffizienten gibt das Gerät nicht an. In den gebeugten Positionen haben wir keine volume-motion-Koeffizienten-Eichung vorgenommen, so dass
sich der entsprechende Einfluss der Koeffizienten auch nicht ermitteln lässt.
Alle Versuche wurden bei spontaner Atmung durchgeführt und nicht - wie bei
Peak et al (1990) - bei vorgegebenen Volumen. Die Ursache für die Überschätzung der Volumen bei gebeugter Haltung kann hier somit nicht näher
untersucht werden. Peak et al (1990) zeigten auf, dass diese Fehleinschätzung auf zwei Hauptfehlern beruht: einerseits auf einer Verschiebung der
Konno-Mead-Isovolumenkurve und andererseits auf einer Veränderung der
Steigung der Kurve. Sie führen an, dass sich das Modell erheblich verbessern lässt, wenn eine zusätzliche Bestimmung und Integrierung der axialen
Z-Verschiebung mit einbezogen wird.
Schon die sitzende Position charakterisiert sich durch eine gebeugte Körperhaltung. Nichtsdestotrotz konnten wir nachweisen, dass das Respitrace,
wenn in einer normalen Sitzposition geeicht, das effektive Volumen bei zusammengeklappter Position bis zu 20% überschätzt. Die Analyse der relativen Anteile von RC und AB am gesamten Volumen deutet darauf hin, dass b
für die neue gebeugte Position zu gross ist und a zu klein, so dass der prozentuale Anteil des RC-Kompartimentes am Volumen bei diesen Positionen
signifikant unterschätzt wurde.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 78 -
Die Überschätzung des Volumens bei seitlicherTorsion des Brustkorbes
wurde noch nie untersucht und lässt sich auch nicht leicht erklären. Zudem
zeigen die registrierten RC-Anteile am gesamten Volumen eine sehr grosse
Streuung und zwar in der Gruppe wie auch beim Einzelnen. Das bedeutet
einerseits, dass die Individuen verschieden reagieren und andererseits, dass
sich auch Einzelpersonen in dieser Position nicht immer gleich verhalten.
Diese Körperposition ist an sich nicht künstlich, das Verharren in dieser Position hingegen schon. Wir verharren normalerweise keine zwei Minuten in
einer derart stark abgedrehten Haltung, sondern führen das Becken nach.
Einerseits ist anzunehmen, dass die Veränderungen in der AB-Wand nicht in
einer adequaten Volumenveränderung resultiert, da die Effizienz des
Zwerchfelles durch die abgedrehte Haltung womöglich herabgesetzt wird.
Andererseits strecken wir die Wirbelsäule um uns im Kreuz abdrehen zu
können, vergrössern also den hinteren axialen Abstand. Dadurch könnten
sowohl die hintere Thoraxwand als auch die hintere Abdominalwand verkleinert werden und beide Koeffizienten würden demnach überschätzt. Zusätzlich ist in Betracht zu ziehen, dass in dieser Stellung respiratorische Hilfsmuskeln beigezogen werden, welche die äussere Atmung verändern.
Die erhaltenen Datenfiles waren riesig – sie umfassten schlussendlich mehrere Gigabytes - und die Handhabung dieser Files stellte uns vor etwelche
Probleme. Insbesondere das Schneiden der zwei Datenfiles (RespitraceWerte und Pneumotachographen-Werte) von Hand auf Grund parallel aufgenommener Zeitzeichen war mit grossen Unsicherheiten behaftet. Für die
Korrelation physiologischer Daten ist die simultane Aufzeichnung essenziell.
Dies gilt nicht nur für die Respitrace- und die Pneumotachographen-Daten,
sondern auch für weitere zusätzlich zu erfassende physiologische Daten
sowie für Marker, die eine Untersuchungsbedingung kennzeichnen. Anhand
solcher Marker könnten alle erfassten Daten sicher und gleichwertig zwecks
Analyse geschnitten werden.
Insgesamt sind die erhaltenen Korrelationen im Vergleich zu ähnlichen Studien als gering einzustufen. Dies ist insbesondere auf die unterschiedlichen
Analysetechniken zurückzuführen. Die Respitrace- und die Pneumotachographen-Daten wurden mit Hilfe verschiedener, von den GeräteherstelI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 79 -
lern mitgelieferten Programmen analysiert. Diese vielfältigen Analysemethoden sind ein Hauptgrund für die abweichenden Resultate. Die Programme
haben verschiedene Defaults-Kriterien, ob eine Volumenzunahme als einzelner Atemzug erkannt wird oder nicht, ebenso unterscheiden sie sich hinsichtlich der Bestimmung der Atemzeiten. Insbesondere mussten wir
feststellen, dass das Atemzugvolumen in der Breeze-Software (Pneumotachograph) mit dem ausgeatmeten Volumen gleichgesetzt wird und optische
Kontrollen ergaben, dass RespiEvents (Respitrace) das Inhalationsvolumen
als
Atemzugvolumen
betrachtet.
Die
Analysen
der
Respitrace-
Aufzeichnungen mit der mitgelieferten Software RespiEvents wurde als
Black Box erlebt. So konnten wir in Bezug auf den zeitlichen Aspekt nicht
eruieren, ob die exspiratorischen Pausen noch zur Exspiration oder bereits
zur darauf folgenden Inspiration gezählt wurden. Im Auswertungsprogramm
des Pneumotachographen (Breeze) wird die Pause unmittelbar nach der
Exspiration zu dieser hinzugerechnet. Die Software RespiEvents wurde speziell zum Erkennen von Atemstillständen (Apnoe) entwickelt, doch wir mussten leider feststellen, dass sie in Hinblick auf unsere Fragestellungen kaum
brauchbar war.
Insbesondere zum Zwecke der Volumenkalibrierung sollten beide Atmungskurven (Respitrace und Pneumotachograph) gleichzeitig aufgezeichnet und
mit demselben Auswertungsprogramm analysiert werden. Die Volumenkalibrierung des Respitrace ist überaus wesentlich, da das Respitrace nach der
Kalibrierung auch alleine, d.h. ohne Parallel-Messungen, zu gebrauchen
sein sollte. Daher ist die Volumenabeichung vor und nach einem Versuch zu
standardisieren und überprüfbar zu gestalten.
Diese Erfahrungen und Überlegungen führten uns dazu eine eigentliche Atemmuster-Messumgebung zu entwickeln.
Das Experiment I zeigte uns, dass das Respitrace in dieser Form nur in
recht stabilen Positionen brauchbar ist. Messungen im Felde sind mit der
vorhandenen Technik nicht zuverlässig. Nur Messungen in Positionen, die
der Kalibrierungsposition ähnlich sind, können verwertet werden. Ähnlich
bedeutete hier, dass der Rumpf-Bein-Winkel zwischen 80-120°zu liegen hat
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wiss. Arbeit
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und dass der Rumpf dabei nicht abgedreht werden darf. Es sind technische
Weiterentwicklungen erforderlich, z.B. durch zusätzliche Bestimmung der
Veränderungen in der Z-Achse mittels Mercury strains für Feldversuche. Ein
separates Aufzeichnen und Analysieren der RC- und der AB-Veränderungen
ohne Einbezug der internen Kalibrierungsfaktoren könnte bestimmte Bezüge
zu gewissen Körperpositionen optisch erhellen und - je nach Körperposition zu Korrekturfaktoren führen, die jedoch separat aufgezeichnet werden müssten.
Die Volumenkalibrierung des Respitraces sind zu standardisieren, die Atemkurven simultan zu registrieren und durch dasselbe Auswertungsprogramm
zu analysieren.
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- 82 -
5 Aufbau einer Atemmuster-Messumgebung
5.1 Aufgabenstellung
Ziel des Projektes „RespiG“ war, die Funktionen Kalibrierung und Datenerfassung (inkl. Marker) für Atemmuster-Messungen mittels LabView und
MATLAB zu implementieren. Das RespiG wurde bewusst so aufgebaut und
beschrieben, dass Weiterentwicklungen möglich und einfach zu implementieren
sind.
Als
medizinische
Messgeräte
werden
der
Induktions-
Plethysmograph Respitrace PLUS, der Pneumotachograph CPX/D und das
Wiener Testsystem EMG verwendet. „RespiG“ (sprich: respi dschii) versteht
sich als Teilprojekt zum Projekt „Atemmuster“ des IHA und wurde mit LabView (© National Instruments) und MATLAB (© MathWorks, Inc.) realisiert.
5.1.1 Messbedingungen
Die Versuchsperson wird an Respitrace PLUS (Induktionsplethysmographie,
Hersteller: NIMS, USA, Vertrieb: SensorMedics) mittels zweier dehnbarer
Bänder angeschlossen. Das sogenannte „Rip Cage“-Band wird auf Höhe
des Brustkastens und das „Abdominal“-Band auf Bauchnabelhöhe um den
Körper gespannt.
Der Anschluss an den Pneumotachographen CPX/D (Hersteller: Medical
Graphics Corporation, USA) erfolgt mittels Atemmaske, welche mit einem
Haarnetz und Gummibändern über Nase und Mund der Versuchsperson
befestigt wird.
Die Verwendung des EMG ist nicht erforderlich für die Kalibrierungen von
RespiG. RespiG ermöglicht jedoch das parallele Aufzeichnen von EMG und
Atemdaten in unterschiedlichen Messgeschwindigkeiten (sogenannte Samplerate in Hertz).
Die ANALOGEN Schnittstellen der drei Geräte werden durch ein Kabel (mit
drei separaten Steckern) an der A/D-Karte des Computers mit RespiG angeschlossen. Werden einige Kabel (z.B. EMG oder FLOW) nicht verbunden,
so können auf den entsprechenden Messkanälen u.U. 50 Hertz SchwingunI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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gen auftreten, wie mit einer Spektralanalyse gezeigt werden konnte. Dies
äussert sich in sehr schnellen Schwingungen in den von RespiG geplotteten
Graphen. Der Effekt hat aber keine Auswirkungen auf die anderen angeschlossenen Messkanäle. (siehe Abbildung 5).
Abbildung 5: Messaufbau für RespiG
Wir messen über die analogen Schnittstelle folgende Signale in Volt:
0
FLOW (Pneumotachograph CPX/D)
1
ADSUM RIP (Summe von RC und AB, Respitrace PLUS [RIP])
2
RC RIP („rip cage“-Band)
3
AB RIP („abdominal“-Band)
4
EMG (Wiener Testsystem)
Über die seriellen Schnittstellen 5 und 6 können die proprietären Messprogramme der jeweiligen Hersteller angeschlossen werden. Bei 5 wird
RespiTrends v. 1.6c/RespiEvents 4.2e und bei 6 wird BREEZE eingesetzt.
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wiss. Arbeit
- 84 -
5.2 Implementierung
5.2.1 Übersicht
Im folgenden wird auf die Implementation der verschiedenen Module von
„RespiG“ eingegangen. Das Projekt RespiG besteht aus Benutzersicht aus
den folgenden Modulen:
i)
ii)
iii)
iv)
RespiG – Atemmuster-Messungen (LabView):
Aufzeichnung der Roh-Messdaten
RespiG Kalibrierung (LabView):
Messung von ADSUM und FLOW in mehreren Kalibrierungsphasen
RespiG Cal (MATLAB):
Auswertung der Kalibrierungsmessungen und Bestimmen des
Umrechnungsfators ADSUM %Vt zu Vt sowie Messüberprüfung
RespiG Conv (MATLAB):
Auswertung und Aggregation der Roh-Messdaten zu u.a. TidalVolumina und In-, Exspirationszeiten.
5.2.2 RespiG – Virtual Instruments
Das Hauptmodul wurde als LabView Virtual Instrument in der grafischen
Programmiersprache G realisiert. Abspaltbare Teile wurde als Sub-Virtual
Instruments (eine Art Unterprogramm) implementiert und konnten somit u.a.
auch in RespiG Kalibrierung wieder verwendet werden.
Virtual InstruDateiname
ment (LabView)
RespiG_Start.vi
RespiG_Information.vi
RespiG_Preferences.vi
RespiG_Calibration.vi
Funktionsbeschrieb
RespiG – Atemmuster-Messungen
Hauptmodul, welches zum Aufzeichnen des
eigentlichen Versuches und zum Starten von
RespiG Kalibrierung dient.
Dialogbox, welche Informationen zum Programm anzeigt.
Dialogbox, welche die Einstellung von Scanrate und die Auswahl der aufzuzeichnenden
Logfiles erlaubt.
RespiG – Kalibrierung
RespiG_Timestamps.vi
Erzeugung von Timestamps (Array) für die
Logfiles anhand der Scanrate.
RespiG_Globals.vi
Globale Variablen, welche von mehreren
VI’s geschrieben und/oder gelesen werden.
RespiG_Store.vi
Abspeicherungsroutine für Arrays als Logfiles.
Tabelle 9: Funktionsbeschreib der RespiG-Files
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Die kleineren VI’s sind recht einfach aufgebaut und bedürfen keiner weiteren
Erklärung, da die grafische Programmiersprache G sie eigentlich bereits dokumentiert. Tabelle 9 gibt einen Überblick der RespiG-Files.
5.2.2.1 RespiG – Atemmuster-Messungen (LabView)
Da LabViews Programmiersprach G leider zu recht grossen Ausdehnungen
(ca. A3) des Programm-„Codes“ führt und sich dabei viele Konstrukte selbst
überdecken, habe ich die Struktur in Pseudo-G nachgezeichnet.
5.2.3 Hinweise zur Implementierung
Bei der Implementierung musste für folgende Funktionalitäten eine Lösung
gefunden werden:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Gleichzeitiges Aufzeichnen von Respi- und EMG-Daten mit unterschiedlichen Sampleraten
Statemarker
Eventmarker
Timestamps effizient erzeugen
LabViews Besonderheiten
Störungen auf den analogen Messkanälen
a)
In LabView gibt es zwei Möglichkeiten zur Aufzeichnung von Messda-
ten:
1. Polling und 2. Continuous Read.
Bei Variante 1 mit Polling könnte man die Daten mit dem kgV der beiden
Sampleraten abholen und dann ein Teil der Werte nur als Respi-, ein anderer Teil nur als EMG-Daten und ein dritter Teil für beide verwenden. Nun ist
Variante 1 aber mit viel Overhead verbunden, sodass statt mit dem kgV der
Sampleraten höchstens mit der grösseren Samplerate gearbeitet werden
könnte. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bereits ab etwa hundert Hertz das
Polling starke Verzögerungen aufweist, was keine äquidistanten Messungen
mehr erlaubt und für unsere Zwecke (mit Timestamps) unbrauchbar ist. Für
RespiG muss schliesslich noch gleichzeitig geplottet werden.
Aus diesen Gründen wurde Variante 2 mit Continuous Read gewählt.
Hier wird vorgängig die Messung aufgesetzt mit Anzahl Samples pro
Sekunde, zu lesende Kanäle usw. und danach wird einmal pro Sekunde
ein Array mit den Messdaten geliefert. Es hat sich jedoch auch hier
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wiss. Arbeit
- 86 -
Pseudo-G Legende
-Diarahmen:
Sequenzkonstrukt. Reihenfolge gemäss Nummer am oberen Rand:
<aktueller> [<erster> ..
<letzter>] Block
Genaueres zur Implementierung kann direkt
RespiG_Start.vi entnommen werden.
Es gibt auch die
Abbildung 6: Schematische Darstellung des internen Aufbaus des Hauptmoduls von
RespiG.
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gezeigt, dass ab ca. 800 Hertz LabView (auf einem Pentium 90 MHz mit
64 MB RAM) etwas zu langsam ist und u.U. mit dem Fehler „Bufer overwritten“ die Aufzeichung stoppt. Bei 200 Hz für Respi- und und 600
Hz für EMG ist LabView aber genug schnell. Da mit der höheren Samplerate (EMG) aufgezeichnet wird, wurde verlangt, dass diese ein ganzzahliges Vielfaches (Respi_To_EMG-Faktor) der tieferen Samplerate
(Respi) sein muss. Die in einem mehrdimensionalen Array eingelesenen
Datenpakete werden zur Berechnung der Respi-Daten vorgängig „ausgedünnt“ („array decimate“-Funktion des Erweiterungspaketes, was mir
aber nicht zur Verfügung stand). Dazu wird jeder „Respi_To_EMGFaktor“-te Wert aus dem Ursprungsarray gelöscht (in einer For-Schleife).
Eine alternative „ausgedünnte“ Indizierung wäre einiges rechenintensiver.
b) Für den Benutzer sind die zwei Statemarker als Listbox, bei welcher alle
Einträge (0-9) gleichzeitig sichtbar sind, realisiert. Diese können mit der
Maus selektiert werden. Als default ist 0 („kein besonderer Zustand“)
markiert.
Einziges Problem ist, dass wir den Wert des Statemarkers nicht direkt
am Array der Messdaten anhängen können. Der Statemarker liefert
nämlich pro Sekunde nicht soviele Werte wie die Respi-Samplerate
gross ist, sondern genau einen. Somit muss ein Array in der Grösse der
Respi-Samplerate mit dem aktuellen Wert des Statemarkers initialisiert
werden, welches dann an das Array der Messdaten angehängt werden
kann.
Für EMG waren gemäss Aufgabenstellung keine Statemarker gefordert.
Diese könnten aber leicht durch ein zweites Array in der Grösse der
EMG-Samplerate erzeugt und gespeichert werden.
c) Beim Eventmarker reicht ein Wert ungleich 0 pro eingelesenem Array
mit Messdaten. Deshalb kann der Wert des Eventmarkers direkt an die
zu speichernden Daten angehängt werden und LabView füllt mit Nullen
auf. Jeweils nach der Speicherung des Wertes wird der Eventmarker au-
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wiss. Arbeit
- 88 -
tomatisch wieder auf 0 zurückgesetzt, denn es sollen nur Einzelereignisse und keine Zustände markiert werden.
d) Die Timestamps werden in RespiG_Timestamps.vi erzeugt. Der Geschwindigkeit und der sparsamen Nutzung von Speicherplatz zuliebe
werden nicht z.B. 60 Minuten Timestamps vorproduziert. Es werden nur
die relativen Timestamp-Inkremente einer Messsekunde berechnet. Bei
200Hz sind dies die Werte 0.000, 0.005, 0.010, 0.015, ..., 0.995. Diese
werden dann zur aktuellen Zeit (in Sekunden seit Beginn der Messung,
was genau dem Iterator-Terminal in der Mess-While-Schlaufe entspricht)
hinzuaddiert.
e) LabView weist einige Besonderheiten im Vergleich zu imperativen Programmiersprachen wie z.B. Java oder C auf. Der wichtigste Punkt ist: In
LabView werden die Anweisungen eines Programms PARALLEL ausgeführt, sofern diese nicht durch ein Programmflusskonstrukt sequentialisiert wurden.
Die Idee dahinter ist eigentlich recht einleuchtend. LabView’s Virtual Instruments (VI) werden mit der graphischen Programmiersprache G implementiert und verarbeiten simultan parallele Datenströme. Deshalb ist
äusserste Aufmerksamkeit geboten, wenn z.B. auf der gleichen Ebene
ein Array zuerst initialisiert und anschliessend verwendet werden soll.
Die Verwendung darf erst nach der Initialisierung erfolgen (z.B. durch
das Diarahmen-Sequenz-Konstrukt sicherstellen). Nun ist es aber bei
globalen Variablen so, dass diese den Wert über eine Ausführung des
VI’s hinaus behalten und somit „erscheint“ das Array beim zweiten Ausführen des VI’s als korrekt initialisiert, während der erste Durchlauf mit
einem Array aus lauter Nullen gearbeitet hat.
Als weitere Besonderheit gilt in LabView, dass Variablen (egal ob lokal
oder gar global), welche von ausserhalb eines Konstruktes (wie z.B.
While- oder For-Schleife, Case oder Sequenz) nach innerhalb quasi
durch die Wand verbunden werden, ihren Wert, den sie zu Beginn der
Ausführung des Konstrukte hatten, BY VALUE an die Konstruktwand
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übergeben, von wo der Wert von innerhalb des Konstruktes danach
mehrfach gelesen werden kann und NICHT mehr erneut von aussen geholt wird. Wer diese Eigenheit missachtet, wird einige „unerklärliche“ Effekte erleben. Globale Variablen müssen deshalb statt durch die Wand
verbunden, direkt als Referenz (Symbole „local“ bzw. „global“ im gleichen Menü wie die Konstrukte) innerhalb des Konstrukts platziert werden.
LabView bietet einen recht praktischen Einzelschritt-Modus (GlühbirnenSymbol). Dieser erlaubt ein Debugging des Codes, wobei die Ausführung und der Datenfluss visuell angezeigt werden. Wenn bei Continuous
Scan im Einzelschritt-Modus plötzlich Fehler wie "Invalid driver - card not
configured with NI-DAQ", "No more memory" oder "Buffer overwritten"
auftreten, dann liegt dies daran, dass durch die stark verlangsamte Ausführung das zeitgerechte Einlesen des zweiten Messdaten-Arrays „verschlafen“ wird und die Messdaten der zweiten und weiterer Sekunden
einen vollen Buffer vorfinden. Die Datenakquisition findet bei Continuous
Scan nämlich trotz Einzelschritt-Modus in Realtime statt.
Die Fehlermeldungen sieht man jedoch nur, wenn man den "error output" von "Continuous Scan“ zu einem Error Handler verdrahtet hat. Ohne dieser Verdrahtung kommt
es zu den merkwürdigsten Effekten (wie z.B. 0x125324724-dimensionalen Matrizen,
die eingelesen werden oder "no more memory"-Error und Absturz von LabView).
f)
Ab und zu kommt es vor, dass alle Inputsignale eine sehr schnelle
Schwingung (+/- 0.25V) ausführen. Das Signal wirkt "verzittert". Dies tritt
v.a. auf, wenn die angeschlossenen Geräte ein- oder ausgeschaltet
werden und kann einige Zeit andauern.
Werden die Geräten nicht an den gleichen Stromkreis (oder zumindest
nicht direkt an die gleiche Strom-Steckleiste) wie der Computer angeschlossen, was zu einer sogenannte „Brummschlaufe“ führen kann,) so
tritt diese schnelle Schwingung nur noch auf unverbundenen Kanälen
auf (wo es keine Rolle spielt). Mittels Spektralanalyse in MATLAB konnte
diese schnelle Schwingung auf eine Störung bei 50 Hz lokalisiert werden.
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- 90 -
Abbildung 7: Spektrogramm der Störung (Brummschleife)
5.2.4 RespiG – Kalibrierung (LabView)
Obwohl man denken könnte, die Kalibrierungsmessungen würden einfacher
ausfallen, als das Hauptmodul, ist der Kontrollfluss hier etwas anspruchsvoller. Es wird in mehreren (automatisch inkrementierten) Phasen aufgezeichnet. Die Grundideen sind jedoch die gleichen wie im Hauptmodul.
5.2.5 RespiG Cal (MATLAB)
Ziel von RespiG Cal ist das Bestimmen eines Umrechnungsfaktors b von
ADSUM %Vt (Respitrace PLUS) nach Vt (integrierter FLOW). Mit Hilfe eines
solchen Faktors b kann auf eine (Atemmuster beeinträchtigende) FLOWMessung zusätzlich zu ADSUM %Vt während des Versuchs verzichtet werden. In der späteren Auswertung können allein aus dem ADSUM %Vt die
Atemvolumina in mL berechnet werden. Überblick gibt Abbildung 8.
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Pseudo-G Legende
-Diarahmen:
Sequenzkonstrukt. Reihenfolge gemäss Nummer am
oberen Rand: <aktueller>
[<erster> .. <letzter>] Block
-Graue Pfeile:
Genaueres zur Implementierung kann direkt
RespiG_Start.vi entnommen werden.
Es gibt auch die Mög-
Abbildung 8: Schematische Darstellung des internen Aufbaus von RespiG Kalibrierung.
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wiss. Arbeit
- 92 -
5.2.5.1 Hinweise zur Implementierung
RespiG Cal wird in Matlab mit respigcal gestartet und führt dann interaktiv durch die Kalibrierung. Bei jedem Teilschritt wird eine Statusinformation
ausgegeben.
RespiG Cal besteht intern aus vier Modulen (Matlab m-Files):
respigcal.m
Hauptprogramm (Dateihandling, Userinterface und Plots)
respigglobal.m
Globale Variablen
respigaggr.m
Aggregations-Berechnungen. U.a. Min/Max-Algorithmus und SpikeElimination.
respiglinreg.m
Lineare Regressionsberechnungen.
Es gab bei RespiG Cal etliche Herausforderungen zu meistern:
a) Die analogen Signale sind mit Fehlern behaftet und weisen teilweise
Spikes („kurze grosse Sprünge“ im Signalverlauf) auf.
b) Aus dem ADSUM %Vt-Signal müssen Atemzüge (genauer: Inspirationsvolumina) bestimmt werden. Dies hat sich als recht trickreich herausgestellt.
c) Das FLOW-Signal muss integriert werden für eine Eichung.
d) Es muss eine Methode für die Bestimmung des Umrechnungsfaktors
gefunden werden, bei der ein Mass für die Unsicherheit des Resultates
angegeben werden kann.
e) Der Benutzer sollte eine Möglichkeit haben, zu erkennen, ob seine Daten korrekt ausgewertet wurden.
f)
ADSUM und FLOW stimmen zeitlich nicht immer exakt überein in der
Länge der Atemzüge, da es sich um verschiedene Messmethoden handelt. Es muss eine sinnvolle Variante für den Abgleich gefunden werden.
g) Die Auswertung sollte innert nützlicher Frist durchführbar sein.
Lösungen:
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Danuser
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a) Während der Suche nach Atemzügen wird eine Spike-Elimination
durchgeführt (respigaggr.m):
Die Messwerte beider Signale (integrierter Flow und ADSUM) werden während der
Aggregation auf Spikes untersucht und diese gegebenenfalls eliminiert durch Überschreiben
mit dem Wert vor dem Sprung im Signal. Die Variable „isSpike“ ist 0 zu Beginn. Sobald nun
ein delta > spikeDelta zwischen dem letzten und aktuellem Messwert entdeckt wird, setzt
man „isSpike“ auf 1. Der jeweils aktuelle Messwert wird danach solange mit dem Messwert
vor dem Spike überschrieben, bis ein delta < noSpikeDelta zwischen dem aktuellen Messwert und demjenigen vor dem entdeckten Spike entdeckt wird. Danach wird das Signal wieder unverändert an die Aggregation weitergegeben.
Die Spike-Elimination entdeckt zwar nur extreme Spikes, doch hat sich dies als genügend erwiesen. Ohne Spike-Elimination würde der Min/Max-Algorithmus etliche Spikes
als Minimum oder Maximum im Signal „erkennen“, was eine korrekte Bestimmung von Atemvolumina verhindern würde.
Beim Setzen der Werte spikeDelta und noSpikeDelta muss beachtet werden, dass
ein zu kleines spikeDelta dazu führen kann, dass das Messsignal auch dort überschrieben
wird, wo nur schnelle Atemzüge stattgefunden haben und gar keine Spikes. Ein zu kleines
noSpikeDelta kann katastrophale Auswirkungen auf das Messsignal haben, da ein Spike,
der in mehreren Schritten schnell nach oben und danach in einem Schritt sehr schnell nach
unten ausschläggt zu einem permanenten Überschreiben der Nachfolgemesswerte führen
kann, da der „vor-spike“-Messwert zu weit vom aktuellen Messwert weg ist, um ein Zurückkehren zu erlauben. Das Messsignal würde dann konstant überschrieben und dadurch unbrauchbar.
b) Zur Bestimmung der Atemzüge wurde ein Min/Max-Algorithmus entwickelt, welcher lokale Minima und Maxima in bestimmten Schranken und
Nebenbedingungen findet. Dieser wurde auch probehalber mit LabView
in aufwendiger Kleinarbeit erstellt. Es hat sich aber gezeigt, dass LabView viel zu unflexibel ist, um den Algorithmus auszutesten oder gar
verschiedene Variante durchzuspielen und vernünftig zu visualisieren.
Zusätzlich wird durch die Realtimeberechnungen auch noch die maximal
mögliche Samplerate verringert, da LabView sich sonst überfordert.
Deshalb wurde der Algorithmus in MATLAB programmiert.
Damit man eine Idee hat, um welche Art von Signal es sich handelt und
worauf zu achten ist, dient folgender Ausschnitt aus dem Flow-Signal
(Abbildung 9):
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wiss. Arbeit
- 94 -
Abbildung 9: Analoges Flow-Signal, auf welches der Min/Max-Algorithmus erfolgreich
angewendet wurde
Es wurden verschiedenste Ansätze ausprobiert, wobei nur der hier beschriebene als praxistauglich und fehlertolerant erwiesen hat:
5.2.5.2
In RespiG Cal verwendeter MinMax-Algorithmus
Es musste nun ein Ansatz gefunden werden, welcher garantierte, dass
Minima und Maxima in abwechselnder Folge gefunden werden und zusätzlich, dass sich der Algorithmus nicht von kurzzeitigen Schwankungen im Signal irritieren lässt.
Der MinMax-Algorithmus arbeitet in zwei Modi und benutzt provisorische
Minima und Maxima.
Als Initialisierung wird +Unendlich (maximaler darstellbarer Wert im Datentyp) als das provisorische Minimum und der Modus auf findMAX = 1
gesetzt.
findMAX = 1:
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Danuser
- 95 -
Wir besitzen bereits ein provisorisches Minimum minProv und betrachten die Messwerte des spike-bereinigten Signals. Wir suchen nach einem provisorischen Maximum maxProv, das ein delta > Threshold (delta := aktueller Messwert – minProv) aufweist. Der Threshold stellt sicher,
dass kleinere Signalschwankungen zu keiner irrtümlichen Detektion eines Extremas führen. Wenn nun aber statt ein maxProv ein noch besseres Minimum gefunden wird, so wird selbstverständlich dieses verwendet für die weitere Suche. Wenn endlich ein maxProv gefunden wird, so
können wir das minProv definitiv erklären und abspeichern (Wert und
Zeitpunkt). Immer wenn wir ein neues Minimum finden, weches nicht das
allererste (<> Unendlich) ist, berechnen wir die Atemzugdaten.
Für findMAX = 0 ist das Vorgehen analog. Es werden jedoch keine Atemzugdaten berechnet oder abgespeichert.
5.2.5.3
Kritische Analyse des Ansatzes
Der MinMax-Algorithmus hat sich in der Praxis bei etlichen Messungen
sehr bewährt. Einzig das Setzen des Thresholds muss mit Vorsicht gemacht werden, da bei zu grossem Threshold zu wenig und bei zu kleinem Threshold zu viele Minima und Maxima gefunden werden. Bei
FLOW kann der Threshold kleiner gewählt werden als bei ADSUM, da
ADSUM grössere Signalschwankungen (Störungen) und ein stärkeres
Signal (Intensität ) aufweist als FLOW.
Der Algorithmus ist recht effizient und benutzt keine Zeitschranken, kann
aber dennoch deltas über mehrere Messwerte berechnen.
c) Die Integration des FLOW-Signals erfolgt in einer For-Next-Schleife mit
einer Zeile MATLAB-Code. Es muss dabei der negative FLOW als Einatmung (positives Volumen) interpretiert werden, wodurch sich das –
statt eines erwarteten + erklärt. (2)
out(n,1) = out(n-1,1) - in(n-1,3)*dt; % dt = 1/Scanrate
d) Damit der Benutzer eine Möglichkeit hat, zu erkennen, ob seine Daten
korrekt ausgewertet wurden, wird die letzte Phase der zuletzt für die KaI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
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librierung eingelesenen Datei geplottet (ADSUM und integrierter FLOW
inklusive detektierte Minima und Maxima).
e) Da ADSUM und FLOW zeitlich nicht immer exakt übereinstimmen in der
Länge der Atemzüge, da es sich schliesslich um verschiedene Messmethoden handelt, wurde pragmatisch das eine Messsignal (Vt zu 2FLOW)
als Referenzsignal verwendet. An allen Zeitpunkten, an welchen bei Vt
(integrierter FLOW) ein Extrema detektiert wird, wird der entsprechende
Wert von ADSUM auch als Extrema ausgewiesen. Diese Methode hat
eine recht hohe Trefferquote.
Die Gründe für die zeitlichen Abweichungen der beiden Signale liegen in
den Messmethoden begründet:
Respitrace PLUS (RIP) misst das Lungenvolumen unter Verwendung
des 2 Kammermodels und misst hauptsächlich das Brustvolumen. Das
am besten RIP entsprechende Messgerät ist der Vollkörper Plethysmograph. Ähnlich gut stimmen Volumen-Spirometer (mit beweglichem
Kolben) mit RIP überein, das gemäss Hersteller (FAQ 1998) in etwa
2
Der Hersteller NIMS von Respitrace PLUS bekräftigt (FAQ about NIMS 1998), dass das
absolute Volumen mit ADSUM %Vt linear zusammenhängt. Barreto et al (1998) wird
vorgeschlagen, dabei multidimensionale lineare Regression zu verwenden und neben
einem FLOW-Signal auch noch die Zeit mehrfach einzubeziehen. Nach genauem Studium von Barreto et al (1998) hat sich aber ergeben, dass die Zeit erstens falsch einbezogen wurde (Bem. Die Pre-Kalibrierungen dauern bei Barreto gesamthaft ca. 11
Minuten in der Berechnung werden diese aber als alle in Minute 0 geschehen verwendet. Ebenso die Post-Kalibrierungen in Minute 90) und zweitens nur einen minimalen
Korrekturfaktor von 5 ml ausmacht. Somit wird darauf verzichtete und die eindimensionale lineare Regression zur Bestimmung des Umrechnungsfaktors von ADSUM %Vt
nach Vt (integrierter FLOW) herangezogen.
Mit respigaggr.m werden die Spikes aus dem Signal eliminiert, danach die Atemzüge
aggregiert, wobei FLOW als Referenzsignal für die Min/Max-Bestimmung verwendet
wird. Von den erhaltenen Atemzügen aller Kalibrierungsphasen werden Ignore_Extreme_Breaths_Percentage Prozent der grössten und kleinsten Atemzüge
verworfen von (FLOW und ADSUM), um mögliche Messfehler zu eliminieren. Danach
wird ADSUM %Vt gegen Vt (integrierter FLOW) geplottet und mit linearer Regression
die Regressionsgeraden zu den Pre-, Post- und Overall-Messungen berechnet und
eingezeichnet.
2Als Gütemass für den erhaltenen Umrechnungsfaktor dient das Quadrat des empirischen Korrelationskoeffizienten r2 der linearen Regression. Bei r2 = 1 wäre die lineare
2
2
Übereinstimmung perfekt. Bei r > 85% für die Pre-Kalibrierung und r > 80% für die
Post-Kalibrierung wird die Messgenauigkeit als genügend ausgewiesen und der Umrechnungsfaktor wird in eine „.cal“-Datei für RespiG Conv abgespeichert.
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- 97 -
zwischen die beiden erwähnten Messgeräte fällt. Pneumotachographen
und „Spirometer“, welche den integriertem Luftfluss verwenden, haben
den grössten eingebauten Messfehler oder vielleicht besser NichtÜbereinstimmung zu RIP. Leider sind aber genau diese zwei die praktischsten Alternativen zu RIP, wenn kontinuierliche Volumenmessungen
durchgeführt werden müssen.
Verschiedene Gründe für Abweichungen in den Messungen sind:
-Die Maske zur FLOW-Messung dichtet nicht oder deckt die Nase nicht
ab (Nasen-Klammer!).
-Respitrace PLUS misst Lungenvolumen, während die anderen Geräte
den Luftfluss messen. Somit wird nur von RIP ein Entweichen der Luft
durch ein defektes Trommelfell detektiert.
-Restluft in den Wangen oder im Gaumen wird beim FLOW nicht gemessen.
-Ein Wechsel der Körperhaltung des Probanden (z.b. stehend statt liegend) verändert die Bewegungen der Bänder von RIP um bis zu 20%
(wenn liegend kalibriert und danach aufrecht stehend gemessen).
-Starke Luftkomprimierung durch starke Atmung bei sehr hoher Anstrengung sind vom zwei Kammermodel der Lunge nicht erfasst und führen
zu Fehlmessungen
-Veränderungen in der umschlossenen Fläche der RIP-Bänder erzwingen eine Neukalibrierung von RIP
f)
Die Auswertung sollte innert nützlicher Frist durchführbar sein.
MATLAB 5.0 bietet die Möglichkeit, den interpretierten Code zu compilieren. Jedoch ist
der Compiler noch mehr ein Prototyp als ein ausgereiftes Produkt und einige Funktionen werden noch nicht unterstützt. Es wäre aber denkbar, zeitkritische Teile der Berechnungen zu kompilieren (und danach intensiv zu testen). Die Auswertung von
29'000 Messungen, welche mit 200 Hz in 145 Sekunden in total 4 Kalibrierungsphasen
aufgezeichnet wurden, dauert (ohne compilierte m-Files, alles interpretiert) auf einem
Pentium II 400 MHz inklusive Plots ca. 50 Sekunden.
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5.2.6 RespiG Conv (MATLAB)
5.2.6.1 Umrechnungsfaktor für Flow
Da wir den FLOW an der analogen Schnittstelle des Pneumotachographen
CPX/D nur in Volt messen können und weder das Manual (vgl. [4]) noch der
Firmenvertreter zum CPX/D Auskunft geben konnten über die Umrechnung
von Volt nach Milliliter, musste der Faktor FLOW_V_to_ML von uns durch
Eichungsmessungen selbst bestimmt werden. Dazu wurde eine geeichte 3
Liter-Spritze verwendet, mit der wir nach interner Kalibrierung von CPX/D
mehrere Atemzüge simulierten und anschliessend in MATLAB auswerteten.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich, macht es keinen Sinn, einen Faktor für
die absolute Umrechnung von Volt nach Milliliter anzugeben. Der integrierte
Flow (d.h. das 3 Liter-Atemzugvolumen) variiert dazu zu stark. Deshalb wurde mittels des für RespiG Cal entwickelten Min/Max-Algorithmus die lokalen
Minima und Maxima bestimmt (vgl. rote und grüne Punkte in Abbildung 10)
und danach die Inspirationsvolumina berechnet (Aggregation aus respigaggr.m). Der erste Atemzug wurde verworfen, da dieser zu stark von den
anderen 13 abwich. Dann wurde der Mittelwert der 13 Inspirationsvolumina
zu 1.6069 Volt bestimmt bei einer Standardabweichung von 0.0024 Volt.
Somit kann der Faktor als 3000 Milliliter / 1.607 Volt = 1866.83 berechnet
werden. Ein Inspirationsvolumen dVI (aus dem integrierten FLOW) von beispielsweise 0.429 Volt entspricht somit 800.87 Milliliter.
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- 99 -
Abbildung 10: Bestimmung des Umrechnungsfaktors für FLOW von Volt nach Milliliter
5.3 Ablauf eines Versuches
Es folgt eine detaillierte Darstellung des Versuchsablaufs:
Messgeräte- und Pre-Kalibrierung RespiG
1. Datenkabel des Computers mit RespiG an die analogen Schnittstellen der medizinschen Geräte anschliessen.
2. Pneumotachograph 30 min vor Kalibrierungsbeginn einschalten. Eichung mit Gasgemischflasche (5% CO2, 15% O2 und 80% NO2 ) und 3 Liter-Spritze durchführen.
3. Beide Bänder von Respitrace PLUS (und ev. auch die Elektroden) an den Probanden
in der geplanten Versuchsposition anschliessen. Gerät einschalten und ca. 5 Minuten
warten, bis „CAL“ aus der Anzeige verschwindet und somit die interne Kalibrierung abgeschlossen ist.
4. Computer mit RespiG einschalten.
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wiss. Arbeit
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5. Dem Probanden die Maske für die FLOW-Messung anziehen.
6. RespiG (LabView) starten und wenn nötig die Einstellungen für Scanrate und aufzuzeichnende Logfiles anpassen.
7. Mit „Kalibrierung ...“ die RespiG Kalibrierung (LabView) starten. Ca. 4 PreKalibrierungsphasen mit kurzen Pausen dazwischen durchführen gemäss Anleitung
am Bildschirm. VOR JEDEM MESSBEGINN AUSATMEN. Danach RespiG Kalibrierung
mit EXIT beenden.
8. Wer will, kann nun sofort die Pre-Kalibrierungsdaten mit „RepiG Cal“ (MATLAB) analysieren. Dies kann aber auch erst nach der Post-Kalibrierung erfolgen. Wenn der FLOW
während des Versuches nicht aufgezeichnet werden soll, Maske für FLOW-Messung
jetzt entfernen.
Versuch
9. In „RespiG – Atemmuster-Messungen“ mit START die Aufzeichnung des Versuchs
starten. Den Versuch (alle Phasen) durchführen und bei Phasenwechsel die Statemarker oder bei Einzelereignissen die Eventmarker mit der Maus setzen.
10. Bei Versuchsende in „RespiG – Atemmuster-Messungen“ die Aufzeichnung mit
STOP beenden.
Post-Kalibrierung RespiG
11. Dem Probanden die Maske für die FLOW-Messungen anziehen, sofern diese nicht
bereits im Versuch benutzt worden ist
12. Mit „Kalibrierung ...“ die RespiG Kalibrierung (LabView) starten. Ca. 4 Post-Kalibrierungsphasen mit kurzen Pausen dazwischen durchführen gemäss Anleitung am Bildschirm. VOR JEDEM MESSBEGINN AUSATMEN. Danach RespiG Kalibrierung mit
EXIT beenden.
13. Proband von den medizinischen Messgeräten trennen.
14. Pre- und Post-Kalibrierungsdaten mit „RespiG Cal“ (MATLAB) auswerten, um den Umrechnungsfaktor ADSUM %Vt zu Vt (integrierter FLOW) zu finden (*.cal).
Auswertung
15. Respidaten (*.lor) mit „RespiG Conv“ zu Atemzugdaten (*.loa) aggregieren
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Abbildung 11: RespiG – Atemmuster-Aufzeichnung (LabView virtual instrument)
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wiss. Arbeit
- 102 -
5.3.1 Interne Kalibrierung von RespiG
Der Pneumotachograph sollte mindestens eine halbe Stunde vor Kalibrierungsbeginn eingeschaltet werden. Bei Messungen von Sauerstoffverbrauch
dauert die Kalibrierung etwas länger und es wird zusätzlich eine Gasgemischflasche mit 5% CO2, 15% O2 und 80% NO2 benötigt. RespiG misst jedoch ausschliesslich den FLOW ohne Angaben über Sauerstoffverbrauch.
Für die Volumenkalibrierung der FLOW-Messung wird eine geeichte 3 LiterSpritze verwendet (vgl. Medical Graphics Corporation Manual 1993).
Respitrace PLUS wird erst eingeschaltet, nachdem die angeschlossene Versuchsperson diejenige Position, in welcher die Messungen stattfinden werden, eingenommen hat. Während 5 Minuten berechnet RespiG mittels statistischer Analysen (sogenannter QDC – qualitative diagnostic calibration), wie
stark die einzelnen Bewegungen der zwei Bänder zu den Volumenverschiebungen beitragen. Anschliessend entspricht 100% Vt des ADSUM Signals
dem durchschnittlichen Atemvolumen während der Kalibrierungszeit. Die
zwei Anteile RC (rip cage) und AB (abdominal) sind entsprechend verstärkt
oder abgeschwächt. Am analogen Ausgang entpricht 100% Vt exakt 0.4 Volt
nach der Kalibrierung (vgl. NIMS Manual 1995).
5.3.2 Kalibrierung von RespiG
Eine Kalibrierung von RespiG ermöglicht die Umrechnung von ADSUM %VtMesswerten (Repitrace PLUS) auf absolute Volumina in Milliliter. Dazu werden in mehreren Kalibrationsphasen bei den Atembewegungen sowohl
FLOW (mittels des Pneumotachographen CPX/D) wie auch ADSUM gemessen. Anschliessend kann daraus unter Verwendung von linearer Regression
ein Umrechnungsfaktor von %Vt nach Vt ermittelt werden. Zusätzlich kann
bei eine Kalibrierung VOR und NACH der eigentlichen Messung festgestellt
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- 103 -
werden, ob sich die Respitrace PLUS-Bänder verschoben haben und die
Messungen deshalb verworfen werden müssen. (Abbildung 12).
Wird der Umrechnungsfaktor und die Messüberprüfung nicht benötigt, so
kann die RespiG-Kalibrierung weggelassen werden. Sie hat keinen Einfluss
auf die Aufzeichnung der Roh-Messdaten mit RespiG. Der Umrechnungsfaktor wird erst anschliessend an die Aufzeichnung in der
Auswertung und Aggregation der Messdaten (mit MATLAB) verwendet.
Es ist wichtig, dass diese Kalibrierung bei jedem Versuch separat erfolgt. Die
Messsignale der Respitrace PLUS Bänder sind je nach Position, Spannung
und Versuchsperson unterschiedlich. Es kann nicht davon ausgegangen
werden, dass bei der gleichen Person an verschiedenen Tagen aber gleichem Versuch der Umrechnungsfaktor übereinstimmt und deshalb nicht neu
ermittelt werden müsste.
5.3.3 RespiG – Atemmuster-Messungen (LabView)
Die Bildschirmmaske des Hauptmoduls „RespiG – Atemmuster-Messungen“ (vgl.
Abbildung Abbildung 5) weist verschiedene interaktive Elemente auf.
5.3.3.1 Buttons
Die Buttons bewirken folgendes:
Die Aufzeichnung wird gestartet. Vorgängig wird nach den zu
verwendenden Dateinamen für die Messdaten gefragt. Je nach
Einstellungen werden nur Respidaten (Respitrace PLUS und
Pneumotachograph CPX/D) oder auch EMG-Daten in verschiedene Dateien aufgezeict. Die angegebenen Dateien werden vorgängig gelöscht, um keine alten und neuen Messdaten
zu vermischen. Die mitprotokollierte Zeit startet am Aufzeichnungsbeginn jeweils bei 0 Sekunden.
Während die Aufzeichung läuft, kann jederzeit mit STOP der
Messvorgang beendet werden.
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wiss. Arbeit
- 104 -
Wichtig: Die Messung kann erneut gestartet werden, jedoch
werden die Messdaten in neu anzugebende Dateien geschrieben und NICHT hinten an bestehende Daten einer früheren
Aufzeichnung angehängt.
Allgemeine Informationen zu RespiG:
Es öffnet sich eine Dialogbox, in welcher angekreuzt werden
kann, welche Daten (Respidaten, EMG-Daten vgl. „Format der
Logfiles“) aufgezeichnet werden sollen.
Ebenfalls kann die Messgeschwindigkeit (Scanrate) von Respiund EMG-Daten eingestellt werden. In der Regel werden EMGDaten schneller als Respidaten aufgezeichnet.
Bemerkung: Wird für die EMG-Daten eine zu schnelle Aufzeichnungsrate eingestellt, so kann es in LabView zur Fehlermeldung „Buffer overwritten“ kommen. Dies deutet darauf hin,
dass LabView zu langsam ist, um alle Daten korrekt einzulesen, anzuzeigen und abzuspeichern. Als Massnahme sollte die
Aufzeichnungsrate verringert oder ein schnellerer Computer
benutzt werden (vgl. National Instruments Manual 1998)).
Die Kalibrierung öffnet ein separates „Virtual Instrument“ in
LabView, das zur Aufzeichnung von Atemdaten in mehreren
Kalibrierungsphasen dient. Diese Daten können anschliessend
mit RespiG Cal ausgewertet werden.
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- 105 -
mit RespiG Cal ausgewertet werden.
5.3.3.1.1 State und Eventmarker
Die Einstellungen dieser Marker werden ebenfalls mitaufgezeichnet. Sie dienen der Markierung von Zuständen (States) und Einzelereignissen (Events).
Die Belegung der Zahlen mit Bedeutungen wird sich in der Regel von Versuch zu Versuch unterscheiden und muss separat festgehalten werden.
Zustand 0 bedeutet „kein besonderer Zustand oder kein Ereignis“. Es empfiehlt sich, Statemarker 1 für Markierung der Phasen des Gesamtversuchs
und Statemarker 2 für Unterteilungen innerhalb der jeweiligen Phase zu
verwenden.
Die unabhängigen Statemarker behalten ihren Zustand solange, bis mit der
Maus ein anderer Wert angeklickt wird. Der Eventmarker springt nach Speicherung des Einzelereignisses (auf 1 Sekunde genau) automatisch wieder
auf 0 zurück und muss somit nicht manuell zurückgesetzt werden.
5.3.3.2 RespiG Kalibrierung (LabView)
Der Ablauf der Kalibrierung ist unten auf der Bildschirmmaske detailliert erklärt (Abbildung 12)
Sobald diese Bildschirmmaske „RespiG Kalibrierung“ geöffnet wird (Button
„Kalibrierung...“ in „RespiG – Atemmuster-Messungen“), muss eine Datei für
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die Kalibrierungs-Messdaten angegeben werden. Mit START wird danach
die Aufzeichnung einer neuen Phase gestartet und mit STOP beendet. Mit
EXIT (kein vorheriges STOP nötig) kann die Kalibrierung abgeschlossen
werden.
Wichtig: Vor Messbeginn ALLE Luft ausatmen. Dies garantiert, dass der erste Atemzug jeder Phase eine Inspiration ist. Wird diese Regel missachtet, so
kann die Kalibrierung u.U. fehlschlagen.
Man ist frei, mehr oder weniger als 4 Phasen durchzuführen; es sind beliebig viele möglich.
Auch die Zeitdauer der einzelnen Phasen und Pausen ist frei. In der Kalibrierung werden
alle aufgezeichneten Phasen verwendet. Sinnvoll ist jedoch, das ganze Spektrum an Atemzügen, das während des Versuches erwartet wird, durchzuspielen mit jeweils ca. 12 Atemzügen pro Phase.
Es empfiehlt sich, sowohl VOR als auch NACH jedem Versuch eine Kalibrierung durchzuführen. Erstens kann somit der Umrechnungsfaktor von ADSUM %Vt nach Vt exakter
bestimmt werden, da mehr Atemzüge vorliegen. Zweitens kann die Zuverlässigkeit der
Messungen festgestellt werden und z.B. ein Verrutschen der Bänder von Respitrace PLUS
entdeckt werden.
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- 107 -
Abbildung 12: RespiG-Kalibrierungsfenster
5.3.3.3 RespiG Cal (MATLAB)
Wenn die Kalibrierung mit „RespiG Kalibrierung (LabView)“ abgeschlossen
wurde, kann bei Bedarf sofort die Auswertung der Kalibrierung durchgeführt
werden. In der Regel wird die Auswertung erneut vorgenommen, nachdem
die zweite Kalibrierung nach Versuchsende ebenfalls vorliegt.
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5.3.3.3.1 Vorgehen
1. Matlab starten
Doppelklick auf das Icon von Matlab.
2. RespiG Cal starten
Eintippen von „respigcal“ in Matlab und Drücken von return.
3. RespiG Cal fragt nun nach einer Pre- und einer Post-Kalibrierungsdatei
Die Pre-Kalibrierungsdatei muss zwingend angegeben werden. Diese wurde
in RespiG Kalibrierung (LabView) aufgezeichnet vor dem Beginn des eigentlichen Versuches.
Die Post-Kalibrierungsdatei (Aufzeichnung nach Versuch) kann ebenfalls
angegeben werden, ist aber nicht erforderlich. Soll diese nicht in die Kalibrierungsberechnungen einfliessen, so kann im „Datei öffnen“-Dialog auf „Abbrechen“ gedrückt werden.
4. RespiG rechnen lassen
Während RespiG die Kalibrierungsdaten analysiert, wird vor jedem Teilschritt eine kleine Statusmeldung ausgegeben, um den Fortschritt anzuzeigen. Die Gesamtdauer der Kalibrierung ist abhängig von der Anzahl Messungen (und diese wiederum von der Messgeschwindigkeit und Messdauer).
Beispiel von Statusmeldungen (MATLAB):
» respigcal
status =
PRE-Kalibrierungsdatei C:\Daten\RespiG\respiG_19990622_0750.loc einlesen
...
status =
Verarbeite Respidaten von 29000 Messungen, welche mit 200 Hz in 145 Sekunden aufgezeichnet wurden
status =
FLOW zu Vt integrieren (Phase 1 von 4)...
status =
Aggregation von Vt (aus FLOW) und %Vt (ADSUM) (Phase 1 von 4) ...
status =
12 Atemzüge detektiert in Phase 1 von 4 ...
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status =
FLOW zu Vt integrieren (Phase 2 von 4)...
status =
Aggregation von Vt (aus FLOW) und %Vt (ADSUM) (Phase 2 von 4) ...
status =
9 Atemzüge detektiert in Phase 2 von 4 ...
status =
FLOW zu Vt integrieren (Phase 3 von 4)...
status =
Aggregation von Vt (aus FLOW) und %Vt (ADSUM) (Phase 3 von 4) ...
status =
10 Atemzüge detektiert in Phase 3 von 4 ...
status =
FLOW zu Vt integrieren (Phase 4 von 4)...
status =
Aggregation von Vt (aus FLOW) und %Vt (ADSUM) (Phase 4 von 4) ...
status =
23 Atemzüge detektiert in Phase 4 von 4 ...
status =
Verwerfe 8 der grössten bzw. kleinsten Atemzüge, um Messfehler zu eliminieren ...
status =
PRE-Kalibrierungsdatei fertig verarbeitet: 38 Atemzüge
status =
Mit linearer Regression absolute Volumina aus %Vt berechnen ...
status =
Kalibrierungsfaktor von %Vt ist 0.7422 (Vt = 0.7422 * %Vt).
5. RespiG Auswertung betrachten
Wenn alles funktioniert hat, sollten am Ende der Berechnung von RespiG
Cal zwei Diagramme geöffnet werden. Diese Diagramme tragen die Titel:
A) Lineare Regression bei den Volumenmessungen
B) Vergleich der Volumenmessungen %Vt (ADSUM) und Vt (integrierter
FLOW)
Auf Diagramm A ist zu erkennen, ob die Messwerte (genauer: die daraus
berechneten Inspirationsvolumina) von Respitrace PLUS mit denjenigen des
Pneumotachographen korrelieren. Ist die Legende grün hinterlegt und erscheint der Text „Messgenauigkeit OK“ (vgl. Abbildung 13), so kann mit genügender Sicherheit der Umrechnungsfaktor b angegeben werden. Dieser
Faktor b wird in eine Datei mit Endung „.cal“ abgelegt, welche bei Vorhandensein überschrieben wird. Der Dateiname vor der Erweiterung ist identisch
mit dem Namen der Datei mit den Pre-Kalibrierungsmessungen. Somit muss
er vom Diagramm nicht abgeschrieben werden. Der Faktor wird bei der späteren Auswertung der Messdaten des Versuches aus dieser Datei ausgelesen.
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Ansonsten ist die Legende rot hinterlegt und es erscheint ein Hinweis
„ACHTUNG: Messfehler zu gross“ (vgl. Abbildung 15 und Abbildung 16) und
der Faktor wird nicht abgespeichert. Eine ev. bereits bestehende gleichnamige „.cal“-Datei (z.B. von einer Pre-Kalibration stammend) wird jedoch nicht
gelöscht.
Zur Kontrolle werden die Messdaten in der letzten Phase der Post-Datei (bei
Angabe von beiden Dateien) bzw. der Pre-Datei (wenn keine Post-Datei
vorhanden) inklusive Auswertung in Diagramm B (vgl. Abbildung Abbildung
14 und Abbildung 16) dargestellt. Man erkennt die durch den Algorithmus
entdeckten Minima und Maxima, welche zur Volumenberechnung herangezogen wurden. Diese werden bei Vt (integrierter FLOW) bestimmt. Es wird
angenommen, dass %Vt zu den gleichen Zeitpunkten wie Vt ein Minimum
oder Maximum hat, was bei korrekten Messungen auch (fast immer) der Fall
ist gemäss eigenen Versuchen. Spikes im Messsignal und die Übereinstimmung von %Vt mit Vt sind gut zu erkennen.
Abbildung 13: Auswertung der Kalibrierungsmessungen und Anzeige des Umrechnungsfaktors (%Vt zu Vt), wobei die Messgenauigkeit ok ist
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Abbildung 14: Messwerte der letzten Kalibrierungsphase (Messgenauigkeit ok)
Abbildung 15: Auswertung der Kalibrierungsmessungen und Anzeige des Umrechnungsfaktors (%Vt zu Vt), wobei der Messfehler zu gross ist
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wiss. Arbeit
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Abbildung 16: Messwerte der letzten Kalibrierungsphase (Messfehler zu gross)
Grund war ein zu loses “Rip cage”-Band, das auf- und abrutschte.
5.3.3.4 RespiG Conv (MATLAB)
Das Modul RepiG Conv dient der Auswertung (Aggregierung) der Respi- und
EMG-Daten. Diese wurden von „RespiG – Atemmuster-Messungen“ (LabView) in *.lor und *.loe Logdateien aufgezeichnet.
Die Respi-Daten werden zusammengefasst und pro Atemzug wird eine Zeile
in eine Atemzugdaten-*.loa-Datei geschrieben. Da der FLOW u.U. während
des Versuches nicht aufgezeichnet wird, richtet sich die Erkennung von Atemzügen nach dem ADSUM-Signal (im Gegensatz zur Kalibrierung des
ADSUM-Signals mit RespiG Cal, wo der FLOW als Referenzsignal verwendet wird). Details zu den erzeugten Daten sind bei der Beschreibung der
„Formate der Logfiles“ zu finden.
Die EMG-Daten Rohdaten inklusive Statemarkers werden zur Zeit mittels
eines externen Programmes ausgewertet.
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Die Loa. Files ermöglichen die grafische Darstellung des Inspirationsvolumens resp. des Expirationsvolumens über die gesamte Versuchszeit.
5.3.3.5 Formate der Logfiles
Bei den Messungen mit RespiG (LabView) werden verschiedene Logfiles
aufgezeichnet.
Die Werte in den Logfiles sind jeweils durch ein Semikolon (;) getrennt. Somit entspricht das Datei-Format der CVS-Norm und kann z.B. in Excel (©
Microsoft ) oder in den meisten Statistikprogrammen problemlos eingelesen
werden.
5.3.3.5.1 Namensgebung
RespiG
schlägt
die
Namen
der
Logfiles
nach
dem
Muster
respiG_<YYYYMMDD>_<hhmm>.<ext> (z. B.:respiG_19990622_0801.lor)
vor, um eindeutige Namen zu erzeugen.
Dabei steht Y für eine Ziffer des aktuellen Jahres (0000-9999), M für den
Monat (00-12), D für den Tag (00-31), h für die Stunde (00-23), m für Minute
(00-59) und ext für die Dateierweiterung zur Kennzeichnung der Art des Logfiles. Der vorgeschlagene Name („alles vor dem Punkt“) kann jedoch auch
durch einen eigenen ersetzt werden. Er kann auch selbst erweitert werden,
z.B. zu respiG_<YYYYMMDD>_<hhmm>_Geruch_A_Moser.<ext>. Das Datum und die Zeit sind in dieser Reihenfolge codiert, damit die Dateinamen im
Windows Datei-Explorer alphabetisch sortiert werden können und dann gerade in der chronologischen Reihenfolge der Erstellung aufgeführt werden.
Die Sortierung funktioniert auch noch, wenn der Name nur hinten (vgl. Patient_A_Moser) ergänzt wird.
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- 114 -
5.3.3.6 Respidaten *.lor
Respidaten sind Messwerte von Respitrace PLUS (RIP) und des Pneumotachographen CPX/D (Tabelle 10).
Spalte Kurzbezeichnung Bedeutung
Bemerkung
1
Beginnt immer bei 0.000, auf
Millisekunden genau. Bei
„ungeraden“ Samplerate (z.B.
600) auf 1/1000 gerundet.
t [s]
Zeit in Sekunden seit Messbeginn.
Die Aufzeichnungsgeschwindigkeit richtet sich nach der
Respiscanrate.
2
ADSUM [V]
Summen-Signal der zwei RIPBänder
ADSUM = RC + AB
0.400 Volt = 100% Vt (vgl.
[3])
3
RC RIP [V]
Thorakles RIP-Signal („rip
cage“-Band)
Gemessen wird die Veränderung der durch das Band
umschlossenen Fläche
4
AB RIP [V]
Abdominales RIP-Signal („abdominal“-Band)
Gemessen wird die Veränderung der durch das Band
umschlossenen Fläche
5
FLOW [V]
Flow des Pneumotachographen Nach Eichung mit einer 3 LiterSpritze erhält man aus dem
CPX/D
integrierten FLOW das Volumen
Vt. Gemäss eigenen Messungen
kann dieses mit dem Faktor
FLOW_Vt_V_to_mL =
1866.83
multipliziert werden, um das
Volumen in Milliliter zu erhalten.
6
SM1 [1]
State Marker 1:
Markierung von Zuständen
7
SM2 [1]
State Marker 2:
Markierung von Zuständen
8
EM [1]
Event Marker:
Markierung von Einzelereignissen
Kann maximal 1 mal pro Sekunde seinen Wert ändern,
wird in der Regel für die Markierung der Versuchsphasen
verwendet
Kann maximal 1 mal pro Sekunde seinen Wert ändern,
wird in der Regel für die Markierung von Subphasen verwendet
Hat maximal 1 mal pro Sekunde einen Wert ungleich 0
Tabelle 10: Beschreibung der .lor Datei
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5.3.3.7 Kalibrierungs Respidaten *.loc
Die Kalibrierungsdaten fallen während der Pre- und Post-Kalibrierung (2 Dateien) von RespiG an und werden in MATLAB von RespiG Cal zur Bestimmung des Faktors für die „.cal“-Datei ausgewertet (Tabelle 11).
Spalte Kurzbezeichnung Bedeutung
Bemerkung
1
Beginnt immer bei 0.000, auf
Millisekunden genau. Bei
„ungeraden“ Samplerate (z.B.
600) auf 1/1000 gerundet.
T [s]
Zeit in Sekunden seit Messbeginn.
Die Aufzeichnungsgeschwindigkeit richtet sich nach der
Respiscanrate (default: 200
Hz).
2
3
ADSUM [V]
FLOW [V]
Summen Signal der zwei RIPBänder
ADSUM = RC + AB
0.400 Volt = 100% Vt (vgl.
[3])
Flow des Pneumotachographen Nach Eichung mit einer 3
CPX/D
Liter-Spritze erhält man aus
dem integrierten FLOW das
Volumen Vt. Gemäss eigenen Messungen kann dieses
mit dem Faktor
FLOW_Vt_V_to_mL =
1866.83
multipliziert werden, um das
Volumen in Milliliter zu erhalten.
4
PSM [1]
Phase State Marker 1:
Markierung der aktuellen Kalibrierungsphase
Kann maximal 1 mal pro Sekunde seinen Wert ändern,
wird automatisch inkrementiert vor jeder neuen Kalibrierungsphase
Tabelle 11: Beschreibung der loc. Datei
5.3.3.8 Kalibrierungsfaktor *.cal
Enthält den mit RespiG Cal ermittelten Wert zur Umrechnung von ADSUM
%Vt [V] nach integriertem FLOW Vt [V]. Will man Milliliter erhalten, so muss
%Vt zusätzlich noch mit FLOW_Vt_V_to_mL multipliziert werden.
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- 116 -
5.3.3.9 Atemzugdaten *.loa
RespiG Conv erzeugt durch Aggregation der „.lor“-Daten die Atemzugdaten
(Tabelle 12). Pro Atemzug wird eine Zeile eingetragen. Die Statemarker und
Eventmarker werden pro Atemzug bestimmt. Bei mehreren Wechseln der
State- oder des Eventmarkers wird pro Marker der maximale Wert genommen.
Spalte Kurzbezeichnung Bedeutung
Bemerkung
1
t [s]
Zeit zu Beginn eines Atemzuges in Sekunden seit Messbeginn.
Bei „ungeraden“ Samplerate
(z.B. 600) auf 1/1000 gerundet.
2
Ti [s]
Inhalationszeit (des ADSUM
RIP Signals)
Das RIP Signal wird als Referenzsignal verwendet, da
FLOW u.U. gar nicht aufgezeichnet wird.
3
Te [s]
Exhalationszeit (des ADSUM
RIP Signals)
Ti und Te zusammen ergeben die Gesamtdauer des
Atemzuges
4
dVi RIP [ml]
Inhalationsvolumen gemäss
ADSUM RIP Signal
5
dVe RIP [ml]
Exhalationsvolumen gemäss
ADSUM RIP Signal
6
dVi CPX/D [ml]
Inhalationsvolumen gemäss
FLOW-Signal des
Pneumotachographen
7
dVe CPX/D [ml]
Exhalationsvolumen gemäss
FLOW-Signal des Pneumotachographen
8
SM1 [1]
State Marker 1:
Markierung von Zuständen
(Phasen)
9
SM2 [1]
State Marker 2:
Markierung von Zuständen
(Subphasen)
10
EM [1]
Event Marker:
Markierung von Einzelereignissen
Kann maximal 1 mal pro Sekunde seinen Wert ändern,
wird in der Regel für die Markierung der Versuchsphasen
verwendet
Kann maximal 1 mal pro Sekunde seinen Wert ändern,
wird in der Regel für die Markierung von Subphasen verwendet
Hat maximal 1 mal pro Sekunde einen Wert ungleich 0
Tabelle 12: Beschreibung der .loa Datei
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- 117 -
5.3.3.9.1 Verwendete Einheiten
s
Sekunden
V
Volt
ml
Milliliter
1
Einheitslos, Skalar
5.3.3.9.2 Beispieldatei: Respidaten *.lor
0.000;-0.469;-0.327;-0.137;-0.010;1.000;0.000;0.000
0.005;-0.464;-0.322;-0.142;-0.005;1.000;0.000;0.000
0.010;-0.469;-0.317;-0.146;-0.010;1.000;0.000;0.000
0.015;-0.474;-0.312;-0.142;-0.010;1.000;0.000;0.000
0.020;-0.464;-0.322;-0.142;-0.005;1.000;0.000;0.000
0.025;-0.474;-0.317;-0.146;0.000;1.000;0.000;0.000
0.030;-0.464;-0.317;-0.137;0.000;1.000;0.000;0.000
0.035;-0.459;-0.317;-0.146;0.000;1.000;0.000;0.000
0.040;-0.469;-0.317;-0.146;0.010;1.000;0.000;0.000
0.045;-0.464;-0.327;-0.142;0.020;1.000;0.000;0.000
....
Man sieht die ersten 10 Messungen einer mit 200 Hz aufgezeichneten Logdatei mit Respidaten. Statemarker 1 ist in Zustand 1, Statemarker 2 in Zustand 0.
Diese .lor File können dann in das Excel exportiert werden und von da in
jedes x-beliebige Statistikprogramm übernommen werden.
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6 Experiment II: Verschiedene mentale u/o
motorische Aufgaben
6.1 Einleitung
Mit zunehmender kognitiver Belastung nimmt das Inspirationsvolumen ab
und die Respirationsrate zu, stellten verschiedene Autoren fest (Grossman
1992, Harding 1987, Wientjes 1992, Willson & Eggemeier 1991). Die untersuchten Aufgaben variierten von reinen Aufmerksamkeits- über Gedächtnisund mentale Arithmetik-Aufgaben, unterschieden sich jedoch kaum in der
motorischen Verrichtung. Reine mentale Arbeit ohne motorische Verrichtung
ist in der Arbeitswelt jedoch höchst selten. Es stellt sich daher die Frage, wie
sich unterschiedliche Anteile von kognitiven und/oder motorischen Anforderungen von Aufgaben auf die Atmungsparameter und/oder die Herzfrequenz
auswirken.
Schleifer und Ley (1996) sowie Schleifer et al (1995) stellten fest, dass bei
zunehmender mentaler Beanspruchung eine zunehmende Hyperventilations-Reaktion ausgelöst wurde. Zusätzlich berichteten die Versuchspersonen
über steigende muskuloskeletale Unbehaglichkeit, wobei die reinen physikalischen Anforderungen nicht zugenommen hatten (Schleifer et al 1995). Das
Mass der Aktivierung von aufgaben-irrelevanter Muskulatur - also der
muskulären Anspannung - steht in Beziehung zur Beanspruchung des mental arbeitenden Menschen. Mit zunehmender Ausschüttung von Noradrenalin
tendiert die Muskulatur zur grösseren Anspannung sowie zur vermehrten
Rekrutierung von Muskelfasern während einer Verrichtung (Westgaard
1996). Untersuchungen deuten darauf hin, dass zunehmende muskuläre
Anspannung eine wesentliche Variable darstellt, die zwischen psychosozialen Arbeitsfaktoren und psychologischer Beanspruchung einerseits und
muskuloskeletalen Symptomen andererseits, vermittelt (Theorell et al 1991,
Waersted et al 1991, Weber et al 1980, Westgaard 1996). Untersuchungen
von Weber et al (1980) und Waersted et al (1991) deuten daraufhin, dass
die psychologisch mediierte muskuläre Anspannung durch verschiedene
Grade der Aufgabenkomplexität bestimmt werden.
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- 119 -
Waersted und Westgaard (1996) zeigten, dass insbesondere der obere M.
Trapezius der dominanten Hand, sowie der M. Frontalis am besten die Anspannung in der aufgaben-irrelevanten Muskulatur repräsentieren.
Die vorliegende Studie soll einerseits die Beziehung zwischen physiologischen Parametern und subjektiver Beanspruchungs-Einschätzung bei Aufgaben mit verschiedenen mentalen und/oder motorischen Anforderungen
untersuchen und andererseits ob ein Zusammenhang zwischen motorischer
Anspannung der aufgaben-irrelevanten Muskulatur und der Atmung besteht.
Zusätzlich wurden folgende Fragestellungen überprüft: Gibt es signifikante
Unterschiede in der Atmung zwischen Test- und Pausensequenzen? Beeinflussen die Testphasen die Pausensequenzen? Zeigen Männer und Frauen
unterschiedliche Atemreaktionen?
Um die Fragestellungen beantworten zu können wurden insgesamt 5 Aufgaben mit verschiedenen Anteilen an motorischer und/oder mentaler Arbeit
gestellt. Bei den Tapping-Aufgaben (T4 und T5) überwiegte die motorische
Arbeit, während der Kombitest (T2) vorwiegend kognitive Arbeit erforderte.
Das Tracking (T1) stellte Anforderungen an Motorik und Kognition, wobei die
motorische Komponente etwas stärkere Gewichtung erlangte als dies beim
Multitest (T3) der Fall war. Bei dem Multitest (T3) waren kognitive und motorische Anforderungen in etwa ausgeglichen.
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wiss. Arbeit
- 120 -
6.2 Methodik
6.2.1 Überblick
Für diese Studie stellten sich 26 Probanden im Alter zwischen 20 und 40
Jahren (Durchschnittsalter: 26 Jahre) zur Verfügung. Den Probanden wurde
für die Teilnahme am Versuch eine Entschädigung bezahlt. Die Versuchspersonen nahmen freiwillig an der Studie teil, und die Studie war vom Ethischen Komitee der ETH genehmigt worden. Der gesamte Versuch dauerte 2
Stunden, wobei eine Stunde für die Vorbereitung der Probanden benötigt
wurde. Während der zweiten Stunde durchliefen die Probanden eine Testserie von jeweils fünf Aufgaben:
T1: Tracking
T2: Kombitest (Periphere & zentrale Aufmerksamkeit)
T3: Multitest (Tracking & periphere & zentrale Aufmerksamkeit)
T4: Tapping (langsam)
T5: Tapping (sehr schnell)
Die Testreihenfolge wurde randomisiert und ausbalanciert. Die Aufgaben
stellten alle sowohl kognitive als auch motorische Anforderungen, wobei sich
die Verteilung je nach Aufgabe unterscheidet.
Die einzelnen Aufgaben dauerten 5 Minuten, und während dieser Zeit wurden das Atemmuster sowie weitere physiologische Parameter aufgezeichnet. Zwischen den Tests sollten sich die Probanden entspannen, was mittels
entsprechender klassischer Musik (langsame Rhythmen, etwa der Herzfrequenz entsprechend) erreicht wurde. Diese Entspannungsphasen dauerten
jeweils 3 Minuten. Unmittelbar nach dem Test wurde mittels Fragebogen
eine subjektive Einschätzung des gemachten Tests von der Versuchsperson
verlangt. Es sollte dadurch ermittelt werden, wie „stressig“ der Test war und
wie sehr sich die Versuchsperson während des Tests engagiert hatte.
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Danuser
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6.2.2 Versuchspersonen
6.2.2.1 Rekrutierung der Versuchspersonen
Die Versuchspersonen nahmen alle freiwillig an der Studie teil. Sie wurden
teilweise mittels mündlicher Propaganda, teilweise mittels Aushängen rekrutiert.
6.2.2.2 Information der Versuchspersonen
Die Versuchspersonen wurden mit einem Probandeninformationsblatt unmittelbar vor dem Versuch über Ablauf, Sinn und Ziel der Studie aufgeklärt. Es
wurde den Versuchpersonen erklärt, dass wir an den physiologischen Reaktionen wie Puls, Hautleitfähigkeit, Atmung und motorische Aktivität bei verschiedenen Aufgabenformen interessiert sind. Sie hatten keine Bedenkfrist
und wurden gebeten, eine Einverständniserklärung zu unterschreiben. Als
Entschädigung erhielten alle Versuchspersonen Fr. 50.- am Ende des Versuches.
Die Versuchspersonen durchliefen vor der Messung eine Lernphase, in welcher sie alle Tests kennen lernten. Dabei wurde so vorgegangen, dass die
Versuchspersonen als erstes den Kombitest (T2) erklärt bekamen und anschliessend 5 Minuten lang übten. Anschliessend wurde ihnen der Multitest
erklärt (T3), den sie wiederum während 5 Minuten absolvierten. Der Trackingtest (T1) wurde ihnen erklärt, jedoch nicht mit ihnen geübt. Bei den beiden Tappingtests wurden den Probanden die beiden Rhythmen kurz vorgespielt, damit sie einige Tipp-Bewegungen üben konnten. Um einer allfälligen
Ermüdung entgegenzuwirken, wurden diese beiden Tests jedoch nicht in
voller Länge geübt.
6.2.2.3 Charakterisierung Versuchspersonen
Die nachfolgende Tabelle 13 gibt Auskunft über die Probanden. An den Versuchen nahmen 11 weibliche und 15 männliche Versuchspersonen teil. Das
Alter schwankte zwischen 21 und 37 Jahren (Mittelwert: 26.4 Jahre, Median:
26 Jahre). Zwei der insgesamt 26 Teilnehmer konnten bei der Auswertung
nicht berücksichtigt nehmen. Bei Versuchsperson 17 sowie bei Versuchsperson 21 konnten die Atemparameter nicht verwendet werden, da sich
während des Versuches Probleme mit der Kalibration ergaben. Ein mögliI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 122 -
cher Grund könnte darin liegen, dass sich die Respirationsbänder während
der Messung ein wenig gelöst hatten. 24 Personen konnten in die Analyse
miteinbezogen werden.
VP-Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
18
19
20
22
23
24
25
26
mean
SD
Alter in J.
21
26
26
23
27
28
33
24
24
25
21
28
26
31
37
28
28
21
28
27
25
28
24
24
26.4
3.7
Raucher
N
J
N
J
N
N
N
N
N
N
J
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
J
N
N
Sex
m
m
w
w
m
w
w
m
m
w
w
m
m
w
m
m
m
w
m
m
m
m
w
m
Rechtshänder
Ja
Ja
Ja
Ja
Nein
Nein
Ja
Nein
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Nein
Tabelle 13: Charakterisierung der Versuchspersonen
6.2.3 Gemessene Parameter
Während den Versuchen wurden die folgenden Parameter aufgezeichnet:
Puls und Herzfrequenz: Gemessen mit 3 Elektroden, EKG (Varioport)
Atemmuster: Gemessen mit Bauchband (AB) und Brustband (RC) am
Respitrace. Atemflow erfasst mit Pneumotachograph.
Aktivität des Musculus Frontalis und des rechten und linken Musculus
Trapezius: Gemessen mit 7 Elektroden (Toennies-Verstärker)
Leistungsparameter des Tracking, Kombi-Test, Multitest.
Subjektive Einschätzung der Aufgabe (nach jeder Aufgabe)
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- 123 -
6.2.4 Die verwendeten Geräte
Nachfolgend werden die einzelnen Messgeräte kurz vorgestellt mit Ausnahme der Atemmustererfassung, die im Kapitel Methodik detailliert abgehandelt ist.. Genaue Hinweise zu der Vorbereitung der Versuchspersonen und
Handhabung der Geräte sind dem Kapitel 3.5.3 zu entnehmen.
6.2.4.1 Varioport zur Messung der Herzfrequenz und der Hautleitfähigkeit
Der Varioport (Becker Meditec, Karlsruhe, D) ist ein Achtkanal-Rekorder für
physiologische Daten. Für die Erfassung
des Elektrokardiogramms (EKG) und des
Hautleitwertes (EDA) verfügt das Gerät
über einen Vorverstärker, der direkt in
den entsprechenden Messkabeln integriert ist. Im Versuch wurde das Gerät über einen PC gesteuert und bedient
Abbildung 17: PC des Varioport
(Software: TEMEC Instruments B. V., 6460 HA Kerkrade, NL). Die Messdaten wurden jedoch auf einer Memory Card des Gerätes aufgezeichnet und
erst nach dem Versuch auf den PC geladen. Während der Versuche war
Varioport nicht am Strom angeschlossen, sondern wurde mit Batterien betrieben.
6.2.4.2 EMG-Verstärker von Toennies zur Erfassung der Muskelaktivität
Die mittels aufklebbarer Elektroden aufgenommenen EMG-Signale wurden
via Kabelinterface über einen Verstärker der Firma Toennies verstärkt und
dann mit LabView (© National Instruments) aufgezeichnet. Die Steuerung
des Verstärkers erfolgte über das Programm Telemate auf einem PC.
Während der Versuche konnte die EMG-Messung mit LabView online auf
dem PC beobachtet werden.
6.2.4.2.1 Einstellungen des Verstärkers
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wiss. Arbeit
- 124 -
Für die Versuche mussten Hoch- und Tiefpass-Filter eingestellt werden, die
Frequenzen oberhalb 500 Hz und unterhalb 55 Hz herausfilterten. Frequenzen oberhalb 500 Hz wurden wegen des Abtasttheorems von Schannon
herausgefiltert. Dieses Theorem besagt, dass die Frequenz der eingehenden Signale kleiner als die Hälfte der Abtastfrequenz sein muss. Die Abtastung mit dem LabView während der Versuche betrug 1000 Hz. Die Frequenzen unterhalb 55 Hz wurden herausgefiltert, um sicher keine störenden
Netzsignale (Netzfrequenz = 50 Hz) zu erhalten.
d
c
a: Toennies Verstärker
b
b: Verstärker der Tapping-Signale
a
c: Boxen für Tapping Rhythmus
a
d: Kabelinterface EMG-Messung
Abbildung 18: Geräte für die EMG-Messung
6.2.4.2.2 Verbindungen Kabelinterface
Die sich an der Versuchsperson befindenden Elektroden wurden wie folgt an
das Kabelinterface angeschlossen:
Kabel
A: Referenzelektrode (C7) in die Mitte des Kastens
B: Stirnelektroden: Kanal 2
C: Trapezius links: Kanal 3
D
A
D
C
C
B
B
D: Trapezius rechts: Kanal 4
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- 125 -
Der Kabelkasten wurde der Versuchsperson anschliessend mit Mefix®
(Mölnlyke, Schweden) auf den Rücken geklebt, um ihr eine grösst mögliche
Bewegungsfreiheit zu gewähren.
6.2.4.2.3 Kalibrierung EMG (Referenzmessungen)
Um einen Referenzwert für die EMG-Messungen zu haben, mussten die
Versuchspersonen gewisse Muskelarbeiten ausführen. Diese Referenzmessungen wurde als erste, resp. letzte Messung des gesamten Versuches vorgenommen. Die Kalibrierung wurde mittels Statemarkers (8 = Stirnrunzeln, 9
= Heben der Arme) im LabView gekennzeichnet.
Für die Ermittlung des Referenzwertes des M. Frontalis wurde die Versuchsperson angewiesen, die Stirn so fest wie möglich zu runzeln und anschliessend zu entspannen. Dieser Vorgang musste dreimal wiederholt werden. Dies dient zur Erfassung der sogenannten Maximum Voluntary
Contraction (MVC).
Die Ermittlung der MVC beim M. Trapezius ist aufwändiger und braucht
Hilfsmittel. Daher entschieden wir uns für eine Referenzpositionsmessung.
Die Versuchsperson wurden gebeten, beide Arme gleichzeitig waagrecht
auszustrecken und ca. 10 s in dieser Position zu halten. Auch dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt und ergab einen Positionsreferenzwert.
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- 126 -
Abbildung 19: Versuchsablauf
Vorheizen und
Kalibrieren
Anlegen
Messbänder &
Elektroden
Versuchsbeginn
Lernphase
Präkalibrierung
Pneumotachograph
EMG Referenz
Messung
Pause
Test
1
Test
2
Fragebogen
Pause
Fragebogen
Pause
Test
3
Fragebogen
Pause
Test
4
Fragebogen
Pause
Test
5
Fragebogen
EMGReferenz
Postkalibrierung
Pneumotachograph
Entfernen
Messbänder &
Elektroden
Versuchsende
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- 127 -
6.2.4.3 Lernphase
Nach der Begrüssung wurden die fünf Tests genau erklärt. Zuerst wurde
eine fünfminütige Lernphase zum Kombitest und anschliessend eine weitere
fünfminütige Lernphase zum Multitest absolviert. Der Trackingtest alleine
wurde nicht gelernt, da dieser im Multitest enthalten ist. Die beiden Tapping
Tests (T4 und T5) wurden kurz angespielt, jedoch nicht in ganzer Länge absolviert, um eine Ermüdung zu vermeiden.
6.2.4.4 Vorbereitungsphase: Anlegen der Messbänder und Elektroden
Nach der Lernphase und einer kurzen Pause (falls von der Versuchsperson
gewünscht) wurde die Versuchsperson für die Messungen vorbereitet.
Dazu wurden zuerst die EKG-Elektroden appliziert und anschliessend die
Respitrace-Bänder um Thorax und Abdomen gelegt und mit hautfreundlichem Klebeband (Mefix®, Mölnlycke, Schweden) fixiert. Als nächstes wurden die EMG-Elektroden auf dem Rücken sowie auf der Stirn aufgeklebt.
Nachdem die Elektrode für die Hautleitfähigkeitsmessung aufgeklebt worden
war, wurden die verschiedenen Signale am PC überprüft. Nachfolgend werden die einzelnen Vorbereitungsschritte genauer erklärt.
6.2.4.4.1 Puls- und Herzfrequenz
Für die Erfassung der Herzfrequenz und des Pulses wurden den Probanden
drei EKG-Elektroden auf der linken Körperseite direkt auf die Haut appliziert.
Die Positionierung der Elektroden geschah folgendermassen:
S: Schwarze Elektrode oberhalb des Armes links
S
B
B: Blaue Elektrode in der Mitte des Körpers
R
R: Rote Elektrode unterhalb des Armes links
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wiss. Arbeit
- 128 -
Die Elektroden wurden mittels Verbindungskabel an den batteriebetriebenen
Varioport angeschlossen. Da Varioport während des Versuches mit dem PC
verbunden war, konnten diese Messungen on-line verfolgt werden.
6.2.4.4.2 Muskelaktivität
Zur Messung der Muskelaktivität wurden insgesamt 7 EMG-Elektroden auf
die Haut geklebt. Für die EMG-Messung war es notwendig, die oberste
Hautschicht zu entfernen, was mittels Peeling-Schwämmchen (Jana, Migros)
erreicht wurde. Anschliessend wurde die Haut mit Alkohol gereinigt, um eine
möglichst fettfreie Hautoberfläche zu erhalten.
Um die Signalleitung sicherzustellen, wurde eine hautfreundliche Salbe (Elektroden Creme, Marquette Hellige) auf die Mitte der Kathoden aufgetragen.
Es wurden folgende Elektroden appliziert:
1 Elektrode als Grund auf den Wirbel C7
1 Elektrodenpaar auf den Musculus Trapezius links (2-3 cm lateral auf
der direkten Verbindungslinie zwischen C7 und Akromion)
1 Elektrodenpaar auf den Musculus Trapezius rechts (2-3 cm lateral
auf der direkten Verbindungslinie zwischen C7 und Akromion)
1 Elektrodenpaar auf den Musculus Frontalis
6.2.4.5 Messung
Das Atemmuster, EMG, EKG sowie EDA wurden während der gesamten
Versuchsdauer aufgezeichnet. Damit man die verschiedenen Testphasen
(T1 bis T5) von den Pausen unterscheiden konnte, wurde mit Statemarkers
gearbeitet. Da EKG sowie EDA mit einer von LabView getrennten Software
registriert wurde, erreichte man eine Synchronisation der Daten, indem die
Zeit der EKG-Messung neben dem entsprechenden State- oder Eventmarker notiert wurde. Das verwendete Versuchsprotokoll ist im Anhang zu finden.
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Danuser
- 129 -
6.2.4.6 Die Pausen
Vor jedem Test wurden Pausen von jeweils 3 Minuten eingesetzt. Ziel dieser
Pausen war es, die Atmung wieder auf ein Ruhe-Niveau zu bringen, damit
man für jeden Test dieselbe Ausgangslage zur Messung hatte. Deshalb
wurde auch vor dem ersten Test eine Pause eingelegt. Während den Pausen hörten die Probanden klassische Musik mittels aufgesetzter Kopfhörer.
Die Musik war so gewählt, dass sie beruhigend wirkte: Der Rhythmus entsprach in allen Stücken in etwa einer Frequenz von 60 - 80 Schlägen pro
Minute. Den Zusammenhang zwischen gehörtem Rhythmus und Atemperiode zeigt eine Studie von Haas, Distenfeld und Axen aus dem Jahr 1986. Die
Forscher fanden in dieser Studie einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Rhythmus und der Atemperiode.
6.2.4.7 Die verschiedenen Tests
Alle Versuchspersonen durchliefen insgesamt 5 verschiedene Aufgaben, die
jeweils 5 Minuten dauerten. Die Reihenfolge dieser Tests wurde randomisiert und balanciert. Sämtliche verwendeten Tests wurden an der ETH Zürich entwickelt und bereits im Rahmen von anderen Untersuchungen (Sethre
et al., 2000, Vitale-Sethre & Läubli, 2000) verwendet und werden nachfolgend erklärt. Bei allen Aufgaben wurde darauf geachtet, dass Tisch, Stuhl
ergonomisch auf die Versuchsperson richtig eingestellt waren sowie, dass
die Versuchsperson ihre Ellenbogen bequem auf den Tisch abstützen konnte.
6.2.4.7.1 T1: Tracking
Die Versuchsperson muss mittels eines Spezialstiftes auf dem Digitalisierbrett einem kleinen planetenähnlichen Punkt auf dem Bildschirm folgen. Das
Ziel ist den Kreis des Cursors mit dem Kreis des bewegenden Symbols möglichst genau zur Deckung zu bringen. Der Punkt bewegt sich in einer schlangenförmigen Linie über den ganzen Bildschirm und wechselt dabei seine
Farbe. Der Farbwechsel ist jedoch für diese Aufgabe nicht von Bedeutung.
Als Leistungsparameter dient der Abstand des Kursors zum sich bewegenden Punkt (TT)..
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- 130 -
6.2.4.7.2 T2: Kombitest
Dieser Test stellt in erster Linie kognitive Anforderungen und testet sowohl
das Kurzzeitgedächtnis als auch die periphere Aufmerksamkeit. Es müssen
gleichzeitig zwei Aufgaben bearbeitet werden.:
1. Das Kurzzeitgedächtnis wird wie folgt getestet: In der Mitte des Bildschirmes befindet sich ein Farbpunkt, der die Farbe in einer bestimmten Frequenz wechselt. Man muss sich nun darauf konzentrieren, ob die Farben
grün, rot, blau in beliebiger Reihenfolge direkt aufeinander folgen. Geschieht
dies, muss man auf die rechte Cursor-Taste drücken. Als Leistungsparameter werden die richtigen Antworten pro vorgegebene Ziele (KRIZI) oder die
richtigen Antworten pro gegebene Tastendrücke (KRITA) sowie die Reaktionszeit herangezogen.
2. Die periphere Aufmerksamkeit wird folgendermassen getestet: In den 4
Ecken des Bildschirmes befindet sich je ein schwarz-weiss gemustertes
Rädchen. Diese Rädchen bewegen sich (rotieren) in unregelmässigen Zeitabständen und unterschiedlicher Reihenfolge. Beobachtet man eine Drehbewegung muss man diese Beobachtung ebenfalls so schnell wie möglich
durch Drücken der linken Cursor Taste bestätigen. Analog der Arbeitsgedächtnissaufgabe werden die richtigen Antworten pro vorgegebene Ziele
(PRIZI) oder pro erfolgte Tastendrücke (PRITA) sowie die Reaktionszeit als
Leistungsparameter erfasst.
6.2.4.7.3 T3: Multitest (Tracking & periphere & zentrale Aufmerksamkeit)
Dieser Test ist eine Weiterentwicklung des Kombitests. Es ist der komplizierteste Test, der sowohl motorische als auch kognitive Anforderungen stellt.
Bei diesem Test soll man auf drei Dinge achten:
1. Man muss mit dem einem Spezialstift auf einem Digitalisierbrett einem
Symbol, welches sich auf dem Bildschirm bewegt, möglichst genau folgen.
Dabei sollten die beiden Kreise möglichst aufeinanderliegen. (= TrackingTest)
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Danuser
- 131 -
Neben dem Nachzeichnen der Bahn muss man noch den Kombitest absolvieren:
2. Das bewegende Symbol, welches man mit dem Stift verfolgt, wechselt die
Farbe in raschen Abfolgen. Es muss nun genau beobachtet werden, wann
die drei Farben grün, rot, blau in beliebiger Reihenfolge direkt aufeinander
folgen. Geschieht dies, so muss man auf die rechte Cursor-Taste drücken.
3. An den vier Ecken des Bildschirmes befinden sich analog zum Kombitest
vier schwarz-weiss gemusterte Rädchen, die sich in unregelmässigen Zeitabständen bewegen (rotieren). Beobachtet man eine Drehbewegung (egal,
in welche Richtung) muss man diese Beobachtung ebenfalls so schnell wie
möglich durch Drücken der linken Cursor-Taste bestätigen.
6.2.4.7.4 T4: Tapping (langsam)
In diesem Test werden in erster Linie Anforderungen an die Motorik gestellt.
Man muss einen vorgegebenen Rhythmus (Frequenz: 2 Hz) durch Fingerklopfen möglichst genau einhalten. Dazu bedient man mit dem Zeigefinger
der rechten, bzw. linken Hand eine Spezialtastatur, mittels welcher der Kraftaufwand des Fingers gemessen werden kann. Die Klopffrequenz wird während des Testes nicht geändert.
6.2.4.7.5 T5: Tapping (sehr schnell)
Dieser Test funktioniert genau gleich wie der vorher beschriebene Test. Der
einzige Unterschied besteht darin, dass die vorgegebene Klopfsequenz viel
schneller (4.5 Hz) ist. Auch hier wird der Rhythmus nicht geändert.
6.2.4.8 Fragebogen
Unmittelbar nach jedem Test wurden die Versuchspersonen gebeten, den
gemachten Test bezüglich Interesse, Beanspruchung, Schwierigkeit, Anstrengung und persönlichem Engagement auf einer 11er Skala von z.B. sehr
langweilig bis sehr interessant, zu beurteilen. Um zu erreichen, dass wirklich
jeder Test individuell bewertet wurde, wurden die Fragebogen einzeln nach
jedem Test ausgeteilt und nach dem Ausfüllen wieder eingesammelt.
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wiss. Arbeit
- 132 -
6.2.4.9 Statemarker und Eventmarker
Das Programm LabView verfügt über zwei Statemarkers und einen Eventmarker, die es erlauben, Daten bestimmten Zuständen zuzuordnen.
Für den vorliegenden Versuch wurden folgende Statemarker gesetzt:
1: Test 1
4: Test 4
7: Pause
2: Test 2
5: Test 5
8: Stirnrunzeln (EMG)
3: Test 3
6: Fragebogen ausfüllen 9: Armheben (EMG)
Eventmarker wurden folgende definiert:
1: Husten des Probanden
3: Unvorhergesehene Störung
2: Niessen des Probanden
4: Sprechen des Probanden
Die Reihenfolge der Tests war randomisiert und wurde vorgängig mittels
eines Computer-Programms (Permutations © Matthias Auf der Maur (2000))
errechnet. Ausserdem wurde die Testreihenfolge ausbalanciert. Die Messungen begannen alle mit einer dreiminütigen Pausensequenz, der dann der
erste Test folgte. Damit eine Synchronisierung mit den EKG/EDA-Daten erreicht wurde, wurde bei der Setzung des jeweiligen Markers auch die Zeit
auf dem EKG/EDA-Computer notiert. Dadurch konnten die entsprechenden
Daten bei der Auswertung richtig zugeordnet werden.
6.2.5 Datenanalyse
Zur graphischen Analyse der aufgenommenen Daten wurde das Computerprogramm Microsoft® Excel 2000 verwendet. Statistisch wurden die Daten
mit dem Computerprogramm Systat® Version 9.0 for Windows® (SPSS, Inc.)
ausgewertet.
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Danuser
- 133 -
6.2.5.1 Berechnung der physiologischen Antwort auf die Tests
Um die genaue physiologische Antwort auf die verschiedenen Tests zu erhalten, wurden für alle fünf Bedingungen die Differenzen zwischen Test und
vorhergehender Pause gebildet. Es ergaben sich somit folgende DeltaWerte:
Delta1: Test1(Tracking) – Pause1
Delta2: Test2(Kombi) – Pause2
Delta3: Test3(Multi) – Pause3
Delta4: Test4(Tapping langsam) – Pause4
Delta5: Test5 (Tapping schnell) – Pause5
6.2.5.2 Konvertierung der Atemdaten
Die Atemdaten wurden während den Messungen als spezielle Messdateien
abgespeichert (xx.lor). Die Daten der Prä- und der Postkalibrierung wurden
als xx.loc-Files abgespeichert. Um die Daten auswerten zu können, mussten
diese beiden Dateitypen in eine Auswertungsdatei (xx.loa) konvertiert werden. Diese Konvertierung wurde in einem eigens dafür entwickelten MatLabProgramm vorgenommen (© MathWorks, Inc.). Das Programm überprüfte
mittels einer Regression die Übereinstimmung der Prä- und Postkalibrierung.
Waren die Abweichungen zwischen diesen beiden Kalibrationen zu hoch,
musste die gesamte Messung verworfen werden. War die Übereinstimmung
der Prä- und Postkalibrierung im Toleranzbereich des Programms, wurde
eine Auswertungsdatei kreiert.
Mittels „plot Data“ konnte anschliessend der Atemverlauf jeder Versuchsperson visualisiert werden (siehe Abbildung 20).
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wiss. Arbeit
- 134 Gesetzte Statemarker
Vi
Ve
Zeit in s
Abbildung 20: Vi, Ve Plot mit gesetzten Markern
6.2.5.3 Statistische Auswertung
In der statistischen Auswertung wurden die Daten im Computerprogramm
Systat® Version 9.0 for Windows® (SPSS, Inc.) mittels univarater Varianzanlyse mit repeated Design ausgewertet. Post hoc Analysen wurden mittels ttest durchgeführt. Aus den subjektiven Angaben zur Beanspruchung, sowie
aus der muskulären Anspannung wurden Kontraste generiert, welche zur
Hypothesentestung der physiologischen Parameter eingesetzt wurden.
Bei der Bearbeitung der EMG Rohdaten wurde wie folgt vorgegangen: Um
die Netzfrequenz von 50 Hz und ihre Harmonischen zu eliminieren wurden
die mit 1000 Hz registrierten EMG-Verläufe digital nachgefiltert. Anschliessend wurde das gefilterte Signal mit einem gleitenden Fenster (moving window) von 50 ms die Root-Square-Means (RMS) emittelt. Zur Reduzierung
der grosse Datenmenge, wurde anschliessend auf 200 Hz herunter gesampelt.
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- 135 -
Bestimmung der Referenzwerte:
-
Stirnmuskel: Bestimmt wurde das Maximum der Voluntary
Contraction (MVC) über 1 s (moving window). Dabei wurde das
Maximum der 3 MVC-Bestimmungen vor und der 3 MVCBestimmungen nach den Versuchen bestimmt.
-
Trapezmuskel: Hier wurde der Mittelwert der Referenzposition
(beide Arme horizontal ausgestreckt für 10 s) nach Eliminierung des Anfangspeaks über der stabilen Phase über 5 sec.
ermittelt.
Alle EMG-Daten wurden durch die so ermittelten Referenzwerte dividiert,
was zu einer normierten RMS-Kurve (nRMS) führte. Als letzter Schritt wurden Perzentile und Mittelwerte für 1-Minuten-Abschnitte bestimmt. Aus den
so bearbeiteten Rohdaten wurden anschliessend die nRMS-Daten während
den Testphasen herausgefiltert und sortiert.
Die Aktivität des rechten Trapezmuskels, des linken Trapezmuskels und des
Stirnmuskels wurde separat ausgewertet. Bei Linkshändern wurde die Aktivität des linken Trapezmuskels unter „rechts“ eingetragen, die Aktivität des
rechten Trapezmuskels unter „links“ und es wird der Terminus dominanter
Trapezius von nun an gebraucht. Die Aktivitätswerte des M. Frontalis entsprechen Prozentwerten der maximalen Stirnkontraktion (% Maximum Voluntary Contraction (%MVC)), die Aktivitätswerte des M. Trapezius entsprechen Prozentwerten der Referenzposition des Trapezius (% Referenz Position Contraction (%RPC)).
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wiss. Arbeit
- 136 -
6.3 Ergebnisse
6.3.1 Untersuchte Atemparameter
Um die gestellten Fragen zu beantworten, wurden die folgenden Atemparameter während der Test- und Pausenphasen untersucht:
Inspirationsvolumen: Vi (ml)
Inspirationszeit: Ti (s)
Inhalationsfluss: Vi/Ti (ml/s)
Inspirations- plus Expirationszeit: Ttot (s)
Minutenventilation MV, (Vi x 60/Ttot)
Anteil Brustatmung: % RC
6.3.2 Ergebnisse Atemparameter
6.3.2.1 Vergleich der Atemparameter während den Pausen
6.3.2.1.1 Zeitliche Abfolge der Pausen
Betrachtet man die Pausen in zeitlicher Abfolge (1= 1. Pause im Versuch, 5=
letzte Pause im Versuch, Abbildung 21), so stellt man eine leichte Abnahme
des Drive fest. Diese Abnahme ist jedoch nicht signifikant. Durch die Randomisierung der Tests während der Messungen konnte diese leichte Tendenz eliminiert werden. Auch bei allen anderen Atemparametern konnte keine Signifikanz zwischen den Pausen gefunden werden.
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Danuser
- 137 -
Mittelwerte Drive (Vi/Ti) während der Pausen
600
Vi/Ti (ml/s)
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
Pausen in zeitlicher Abfolge
Abbildung 21:Vergleich des Inhalationsflusses (Mittelwert aller VP) während der Pausen in zeitlicher Abfolge
6.3.2.1.2 Absolute Reihenfolge der Pausen
Wenn man die Pausen in der unter Kapitel 4.4.1 beschriebenen Reihenfolge
untersuchte (Pause gleich nummeriert wie die vorher gelöste Aufgabe),
konnte man ebenfalls keine signifikanten Unterschiede zwischen den Pausen finden.
Aus der untenstehenden Tabelle 14 ist zu entnehmen, dass sich die Atemparameter während der Pausen nicht signifikant unterscheiden und die Varianzgleichheit in keinem Fall kritisch ist.
ViP
TiP
Vi/TiP
TtotP
p-Wert
0.437
0.737
0.266
0.962
F-Wert(4/92)
0.954
0.498
1.328
0.152
p- Residuals
0.504
0.225
0.391
0.407
F- Residuals
0.839
1.446
1.040
1.008
Tabelle 14: p- und F-Werte der verschiedenen Atemparameter während der verschiedenen Pausen
6.3.3 Vergleich der Atemparameter während Test- und Pausen
Alle gemessenen Atemparameter während den Testphasen unterschieden
sich signifikant von den Atemparametern während den Pausenphasen.
(Tabelle 15).
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 138 -
p-Wert
0.003
0.000
0.000
0.000
0.000
Inspirationsvolumen Vi
Inspriationszeit Ti
Drive (Vi/Ti)
Totale Atemzeit Ttot
Minutenventilation MV
F-Wert (1/23)
4.629
95.748
106.996
79.446
47.327
Tabelle 15: ANOVA p- und F-Werte für den Vergleich der Atemparameter der Testund Pausenphasen
6.3.4 Unterschiede in der Atmung bei Männern und Frauen
Männer und Frauen atmen signifikant unterschiedlich. Aus der Literatur
(Clausen, 1951) ist bekannt, dass Frauen einen signifikant höheren Anteil an
Brustatmung (%RC) haben, als Männer. Dieser Befund konnte in der vorliegenden Studie ebenfalls auf Signifikanzniveau bestätigt werden (p= 0.002).
p-Wert
0.006
0.256
0.002
%RC Test
%RC Pausen
%RC (T+P)
F-Wert
8.339
1.361
10.103
Tabelle 16: Zusammenstellung der ANOVA p- und F-Werte des gruppierenden Faktors
Geschlecht für die Brustkorbatmung (%RC)
Anteile Brustatmung in
%
Vergleich der Anteile Brustatmung zwischen
Frauen (1) und Männern (2)
80.000
70.000
60.000
50.000
40.000
30.000
20.000
10.000
0.000
Pausen
Tests
1
2
Sex
Abbildung 22: Darstellung der Anteile der Brustatmung bei Frauen und Männern am
gesamten Volumen, während den Test- und Pausenphasen
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Danuser
- 139 -
Wie die Grafik (Abbildung 22) zeigt, lag der Anteil Brustatmung bei den Frauen zwischen 52 und 57 %, bei den Männern rund 10% tiefer zwischen 44 und
46 %.
Neben dem Anteil an Brustatmung wurden ebenfalls Inspirationsvolumen
und Inspirationszeit untersucht, wobei bei Frauen beide Atemparameter signifikant tiefer liegen als bei den Männern. Die ANOVA Varianzanalyse zeigte, dass Männer und Frauen zwar mit unterschiedlich grossen Volumina atmen, jedoch keine Unterschiede in der Atemantwort auf die Tests zeigten
(n.s. bei Atemantwort). (Tabelle 17). Da in der Atemantwort keine Unterschiede zwischen Männern und Frauen feststellbar waren, wurde in der weiteren Analyse die Atemantwort betrachtet.
Tests
Pausen
Atemantwort
ViT
TiT
Vi/TiT
TtotT
ViP
TiP
Vi/TiP
TtotP
ViDelta
TiDelta
Vi/TiDelta
TtotDelta
p-Wert
0.006
0.083
0.081
0.630
0.005
0.057
0.081
0.926
0.878
0.654
0.587
0.601
F-Wert
9.33
3.293
3.344
0.238
9.717
4.050
3.340
0.009
0.024
0.206
0.304
0.281
Tabelle 17: Zusammenstellung der ANOVA p- und F-Werte während Test- (T) und
Pausenphasen (P) sowie der Atemantwort (Delta)für den Vergleich zwischen Männern
und Frauen
6.3.4.1 Die direkte Atemantwort auf die Testanforderungen
Die nachfolgenden Analysen und Darstellungen basieren auf den absoluten
Delta-Werten der Atemparameter (Atemantwort).
6.3.4.1.1 Inspirationsvolumen
Die Inspirationsvolumina unterschieden sich während den Tests signifikant
(F (4/92) 3.98, p = 0.005).
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 140 -
Bei dem Kombitest kam es zu einer leichten, beim langsamen Tapping zu
einer deutlichen Abnahme des Inspirationsvolumens. Der Trackingtest und
der Multitest führten zu einer vergleichbaren Zunahme des Inspirationsvolumens, während die Zunahme beim schnellen Tapping kleiner war (Abbildung
23).
deltaVi(Tests - Pausen)
Mittelwert aller VP: deltaVi(TP)
100
80
60
40
20
0
-20
1
2
3
4
5
-40
-60
Task (1: TR, 2: KT, 3: MT, 4: TL, 5: TS)
Abbildung 23: Veränderungen des Inspirationsvolumens bei den verschiedenen
Tests.
Die Unterschiede wurden mittels paarweisen t-test überprüft (Task 1 ist signifikant verschieden von Task 2 und 4, Task 3 ist signifikant unterschiedlich
von Task 2 und 4, und Task 4 ist signifikant verschieden von Task 5). Das
bedeutet, dass die Änderung des Inspirationsvolumens beim Tracking Test
und Multi.-Test gleich gross war, beim schnellen Tapping eine halb so grosse Zunahme stattfand und beim Kombi-Test und beim langsamen Tapping
eine Abnahme nachzuweisen ist.
6.3.4.1.2 Die Inspirationszeit Ti
Die Inspirationszeit unterschied sich zwischen den Tests knapp nicht signifikant (F (1/22) 2.192, p = 0.076). Alle Aufgaben führten zu einer Abnahme
der Inspirationszeit, aber von ungefähr gleichem Ausmass (Abbildung 24).
Die Gesamtdauer des Atemzyklus (Ti + Te) verhält sich gleich wie die Inspirationszeit und differenziert knapp nicht (F (1/22) 2.22, p = 0.070) und wird
nicht weiter dargestellt.
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Danuser
- 141 -
deltaTi
Mittelwert aller VP: deltaTi(TP)
0.000
1
2
3
4
5
-0.100
-0.200
-0.300
-0.400
-0.500
-0.600
Task (1: TR, 2:KT, 3:MT, 4:TL, 5:TS)
Abbildung 24: Veränderung der Inspirationszeit bei den verschiedenen Tests
6.3.4.1.3 Inhalationsfluss (Inspirationsvolumen / Inspirationszeit)
Der Inhalationsfluss differenzierte klar zwischen den Aufgaben (F 3.878
(4/92), p = 0.006) Eine vergleichbare Zunahme des Drive konnte bei dem
Tracking (1), dem Multitest (3) sowie dem schnellen Tapping (5) gefunden
werden. Beim Kombitest war die Zunahme von Vi/Ti etwas stärker als beim
langsamen Tapping (Abbildung 25).
deltaDrive (T-P)
300
Mittelwert aller VP
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
Task (1: TR, 2: KT, 3: MT, 4: TL, 5: TS)
Abbildung 25: Veränderungen von Vi/Ti bei den verschiedenen Tests
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wiss. Arbeit
- 142 -
6.3.4.1.4 Minutenventilation
Die Minutenventilation (MV) ist das Produkt aus Frequenz (60/Ttot) und des
Inspirationsvolumens. In Tabelle 20 ist die Zunahme der MV unter den verschiedenen Aufgaben in Liter aufgeführt.
Tracking T1
2211 (1574)
Kombitest T2
1557 (1237)
Multitest T3
3026 (1609)
Tapping l T4
1170 (1001)
Tapping s T5
2817 (1583)
Tabelle 18: Zunahme der Minutenventilation in Milliliter und (SD) unter den verschiedenen Aufgaben
Die MV differenziert klar zwischen den verschiedenen Aufgaben (F (4/92)
6.333, p < 0.000). Nur die Aufgabe 2 unterscheidet sich nicht von 4 und die
Aufgabe von 5 unterscheidet sich nicht von Aufgabe 1 und 3, alle anderen
Unterschiede sind signifikant. Der Multitest wies die höchste Steigerung der
MV auf gefolgt vom schnellen Tapping und dem Tracking. Die niedrigste MV
Zunahme wurde beim langsamen Tapping registriert.
6.3.4.2 Variabilität der Atemparameter
Die Variabilität der Atemparameter wurde auch schon in früheren Studien
(Mador und Tobin, 1991; Boiten, 1998; Althaus et al., 1998) untersucht. In
Anlehnung an diese Arbeiten wurde in vorliegenden Studie die Variabilität
berechnet, indem die Standardabweichung durch den Mittelwert dividiert
wurde (SD/mean). Dies ergab die Variabilität des entsprechenden Atemparameters in Prozent. Anschliessend wurden diese Varianzen mit dem Computerprogramm Systat® Version 9.0 for Windows® ausgewertet.
Die Variabilitäten zwischen den einzelnen Tests unterschieden sich nicht
signifikant. Auch zwischen den einzelnen Pausen konnten keine signifikant
unterschiedlichen Variabilitäten gefunden werden. Höchst signifikant unterschieden sich hingegen die Atemvariabilitäten zwischen Tests und Pausen.
Die Varianz war bei allen Pausen signifikant höher als bei den Tests.
Die nachfolgende Tabelle 19 gibt Auskunft über die mit ANOVA, repeated
Design gefundenen p- und F-Werte.
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- 143 -
Mittelwert d. Var.
F-Wert
p-Wert
Vi/Ti
Vi
Ti
Ttot
0.606
1.239
0.435
1.284
0.659
0.300
0.783
0.282
Vi/Ti
Vi
Ti
Ttot
0.209
0.524
0.910
0.384
0.933
0.718
0.461
0.820
279.739
49.527
53.694
57.121
0.000
0.000
0.000
0.000
Var. zwischen Tests
Var. zwischen Pausen
Var. zw. Tests und Pausen
Vi/Ti
Vi
Ti
Ttot
T: 0.268, P: 1.061
T: 0.277, P: 0.409
T: 0.268, P: 0.404
T: 0.226, P: 0.321
Tabelle 19: Übersicht über die p und F-Werte der Varianzen zwischen den Tests und
zwischen den Pausen, sowie zwischen Test und Pausen
6.3.5 Ergebnisse Herzfrequenz
Die von Varioport aufgezeichneten Pulsdaten wurden mittels eines Konvertierungsprogramms in Excel importiert und anschliessend mit Systat ausgewertet. Bei der Auswertung wurde analog wie bei den Atemdaten vorgegangen.
6.3.5.1 Der Puls während den Pausenphasen
Puls (Schläge pro
Minute)
Puls (Mittel aller Versuchspersonen) während der Pausen
85
80
75
70
65
1
2
3
4
5
Pause Nr.
Abbildung 26: Puls während den verschiedenen Pausen (Pause 1 = Pause vor dem 1.
Versuch)
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wiss. Arbeit
- 144 -
Der Puls war gleich während den verschiedenen Pausen
6.3.5.2 Die direkte Pulsantwort auf die Testanforderungen: delta (T-P)
Wie zu erwarten, unterschied sich die Antwort auf die verschiedenen Tests
auch bezüglich der Herzfrequenz signifikant (F 3.01 (4/92), p = 0.002). Ausser bei dem langsamen Tapping Test (Abnahme von 2.6 Schlägen pro Minute) nahm die Herzfrequenz in allen Tests zu. Die Zunahme war beim Multitest mit 2 Schlägen pro Minute am höchsten, beim Trackingtest und beim
schnellen Tapping mit weniger als 0.3 Schlägen pro Minute am kleinsten.
Beim Kombitest betrug die Zunahme 0.8 Schläge pro Minute (Abbildung 27).
Die Pulsveränderung ist nicht signifikant verschieden zwischen T1 und T2,
T5, zwischen T2 und T3, T5, sowie zwischen T3 und T5, alle anderen sind
signifikant verschieden.
delta Puls (T-P) in Schlägen pro
Minute
Puls(Test) - Puls(Pausen)
3
2
1
0
1
2
3
4
5
-1
-2
-3
Task (1: TR, 2: KT, 3: MT, 4: TL, 5: TS)
Abbildung 27: Pulsantwort auf die verschiedenen Testanforderungen
6.3.6 Ergebnisse Muskelaktivität
Die Muskelaktivität während den Testphasen war signifikant verschieden.
Untersucht wurde die Aktivität des rechten und linken M. Trapezius sowie
des M. Frontalis (Stirnzusammenzieher) während den fünf Tests.
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- 145 -
Tracking T1 Kombitest
T2
Multitest T3 Tapping
T4
l Tapping
T5
s F(4/72)
P
M. Frontalis 0.032
(0.025)
0.033
(0.019)
0.036
(0.027)
0.023
(0.01)
0.024
(0.011)
3.316
p=0.015
M.
Trapezius
re
0.475
(0.31)
0.051
(0.056)
0.478
(0.28)
0.132
(0.16)
0.202
(0.19)
30.12
p=0.000
M.
Trapezius li
0.125
(0.09)
0.080
(0.07)
0.146
(0.11)
0.092
(0.08)
0.108
(0.10)
2.635
p=0.041
Tabelle 20: Mittelwerte der verschiedenen Muskelaktivitäten während den unterschiedlichen Aufgaben in % des Referenzwertes (SD) sowie die F und p Werte der
Varianzanalyse.
Das nachfolgende Histogramm (Abbildung 28) gibt Auskunft über den gefundenen Aktivitätsverlauf von rechtem und linkem Trapezmuskel sowie vom
Stirnmuskel.
Muskelaktivität in Prozent
Muskelaktivität
60
50
Stirnaktivität
40
Aktivität rechts (bei
Linkshändern links)
Aktivität links (bei
Linkshändern rechts)
30
20
10
0
1
2
3
4
5
Task Nr. (1:TR, 2:KT, 3:MT, 4:TL, 5: TS)
Abbildung 28: Muskelaktivität in Prozent des Referenz EMG’s während den verschiedenen Tests (Mittelwerte aller VP)
Das EMG der dominanten Seite unterscheidet am klarsten zwischen den
verschiedenen Aufgaben. Das EMG des dominanten Trapezius (rechts bei
Rechtshändlern, links bei Linkshändlern) ist deutlich am höchsten, wenn
kontinierliche Folgebewegungen (Tracking) verlangt wurden (T1 und T3),
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wiss. Arbeit
- 146 -
gefolgt vom schnellen Tapping (T5). T1, T3, T5 sowie T2, T4 unterscheiden
sich nicht voneinander. Auch die Aktivität des M. Frontalis unterscheidet
zwischen den verschiedenen Aufgaben, wobei sich T2 von T3 und T5, T3
von T4 unterscheidet. Die Aktivität ist gleich gross während des Trackings
(T1), des Multitestes (T3) und dem schnellen Tapping (T5). Die Aktivität im
nicht dominanten Trapezius unterscheidet nur knapp zwischen den verschiedenen Aufgaben.
Vor dem Versuch wurde von drei Experten die verschiedenen Aufgaben auf
ihre motorischen Anforderungen eingeschätzt. In der folgenden Tabelle wird
die Experteneinschätzung der gefunden motorischen Aktivität gegenübergestellt (Tabelle 21).
Rang EMG Aktivität
1
1
3
4
5
Experteneinschätzung
Multitest
Trackingtest
Tapping schnell
Tapping langsam
Kombitest
2
3
1
5
4
Tabelle 21: Vergleich der Experteneinschätzung mit der tatsächlichen Muskelaktivität:
Rangierung der 5 Tests nach Anforderungen an die Motorik (Rang 1: höchste Anforderung).
Die Experten überschätzten das schnelle Tapping und unterschätzten den
Trackingtest.
6.3.7 Subjektiven Einschätzungen
Nach jedem Test mussten die Versuchspersonen mittels Fragebogen den
gemachten Test nach Interesse, Stress (Beanspruchung), Schwierigkeit,
Anstrengung und Engagement bewerten. Um eine allfällige Beeinflussung
der verschiedenen Antworten zwischen den Tests zu vermeiden, wurden die
Fragebogen einzeln nach jedem Test ausgeteilt und wieder eingesammelt.
Die Bewertungsskala reichte von 1 (langweilig, nicht beanspruchend, sehr
leicht, nicht anstrengend, ich habe mich überhaupt nicht engagiert) bis 11
(interessant, sehr beanspruchend, sehr schwierig, sehr anstrengend, ich
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Danuser
- 147 -
habe mich sehr engagiert). Für die Auswertung wurde für jeden Test das
Mittel der Bewertung aller Versuchspersonen ermittelt.
Die verschiedenen Einschätzungen wurden mittels Pearson Momentkorrelationen (Tabelle 22) miteinander in Beziehung gesetzt.
Interesse
Beanspruchung
Schwierigkeit
Anstrengung
Engagement
Interesse
Stress
Schwierigkeit
Anstrengung
Engagement
1
0.209
0.047
0.269
0.081
1
0.958
0.963
0.826
1
0.913
0.905
1
0.789
1
Tabelle 22: Pearson correlation matrix zwischen den Bewertungskriterien für die einzelnen Tests
Bis auf das Interesse korrelierten alle anderen Einschätzungen hoch signifikant untereinander. Für weitergehende Analysen wurden daher nur noch
das Interesse und die Einschätzung wie beanspruchend die Aufgabe empfunden wurde verwendet. Die verschiedenen Aufgaben wurden als verschieden beanspruchend erlebt (F 35.37 (4/96) p < 0.000). sowie verschieden interessant (F 34.607 (4/44) p < 0.000)
Tracking
Beanspruchung 4.0 (1.2)
Interesse
4.8 (1.5)
Kombitest
5.0 (1.1)
8.0 (1.3)
Multitest
6.4 (0.9)
8.5 (1.2)
Tapp.langsam.
1.7 (1.0)
1.9 (0.8)
Tapp.schnell
4.1 (1.2)
2.9 (1.0)
Tabelle 23: Mittelwerte (SD) der subjektiven Einschätzung für die verschiedenen
Aufgaben.
Der Multitest wurde als am beanspruchendsten erlebt, gefolgt vom Kombitest, das schnelle Tapping und Tracking wurde gleich eingestuft, am wenigsten beanspruchend wurde das langsame Tapping eingeschätzt (Tabelle 23).
Mit der Kontrastmatrix 0, 1, 2, -3, 0 wurde dies als richtig befunden (F 56.75
(2/24) p<0.000). Dem Multitest und dem Kombitest wurde das grösste Interesse entgegengebracht, den beiden Tappingtests das kleinste (0, 2, 2, -3, 1, F (2/24) 46.2 p<0.000).
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wiss. Arbeit
- 148 -
Wie bei den Motorikanforderungen wurden die kognitiven Anforderungen
vorgängig durch Experten eingeschätzt. Dies ergab die Reihenfolge: Multitest 5, Kombitest 4, Tracking 3, Tapping schnell 2, Tapping langsam 1. Dies
entspricht genau der Reihenfolge der subjektiven Interessenseinschätzung,
entspricht aber auch recht gut der gefundenen subjektiven Beanspruchungseinschätzung.
6.3.8 Leistungsparameter
Da die Aufgabe 3, der Multitest, aus der Aufgabe 1 (Tracking alleine) und
der Aufgabe 2 (Kombitest: zentraler Gedächtnistest und peripherer Reaktionstest) besteht wurde die Leistung in diesen drei Aufgaben ermittelt (siehe
Tabelle Tabelle 24).
TT
KRIZI
Kreak
PRIZI
Preak
mm
%
ms
%
ms
Mulittest T3
10.3 (2.1)
63.1 (18.0)
650 (139)
91.5 (6.8)
580 (70)
Tracking T1
9.8 (2.9)
--
--
--
--
Kombi-Test T2
--
77.3 (12.1)
675 (127)
92.5 (8.1)
601 (62)
T-Test
ns
p<0.05
ns
ns
ns
Tabelle 24: Leistungsparameter der verschiedenen Aufgaben, wenn kombiniert (Multitest) oder alleine durchgeführt.
6.3.9 Hypothesenprüfung
Die Hypothese, dass die subjektive Einschätzung und die physiologischen
Parameter – Atmung und Puls - einen Zusammenhang aufweisen wurde
mittels den gefunden Kontrastmatrixen der subjektiven Einschätzung sowie
der Motorik geprüft.
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Danuser
Matrix
- 149 -
Stress
Interesse
Trapezius
M. Frontalis
0, 1, 2,-3, 0
0, 2, 2,-3,-1
dominant
0,1,1 –1,-1
2,-2, 2,-2,0
MV
F (1/23) 8.83
F(1/23) 1.691
F (1/23) 18.7
F(1/23) 0.486
P < 0.007
P = 0.2
P < 0.000
P = 0.49
F (1/23) 5.56
F (1/23) 2.44
F (1/22) 12.15 F (1/23) 1.219
P < 0.027
P = 0.13
p = 0.002
F(1/23) 4.77
F (1/23) 0.096 F (1/23) 15.42 F(1/23) 0.19
P = 0.040
P = 0.76
P = 0.001
P = 0.667
F (1/22) 5.80
F (1/22) 7.56
F (1/22) 4.20
F (1/22) 7,31
P = 0.025
P = 0.008
P = 0.055
P = 0.013
Trapezius
F (1/23) 51.7
F (1/23) 2.572 ---
F (1/23) 15.34
dominant
P < 0.000
P = 0.126
P < 0.000
M. frontalis
F (1/22) 10.56 F (1/23) 9.665 ----
Vi
Vi/Ti
Puls
P < 0.004
P = 0.28
----
P = 0.006
Tabelle 25: Hypothesenprüfung mittels den entsprechenden Kontrastmatrixen
Es zeigen sich klare Zusammenhänge der Atemparameter und des Pulses
indem Vi, Vi/Ti und MV mit derm dominanten Trapezius, aber auch mit der
Beanspruchungsempfindung in Beziehung steht. Der Puls zeigt keine Bezihung mit dem dominanten Trapezius aber als einziger mit der Aktivierung
des M. frontalis sowie mit Beanspruchung sowie Interessens Einschätzung.
Der Zusammenhang mit Beanspruchung ist am deutlichsten in Vi und MV.
Der dominante Trapezius sowie die Strinaktivität steht in Beziehung zur
empfundenen Beanspruchung (Tabelle 25).
6.4 Diskussion
Es war das Ziel der vorliegenden Studie, die physiologischen Veränderungen aufgrund von motorischen und mentalen Aufgaben zu erfassen. Das
Hauptinteresse lag dabei bei der Atmung und den möglichen Zusammenhängen zwischen Atmung und subjektiver Beanspruchung einerseits und der
Aktivität von Aufgaben-irrelevanter Muskulatur, andererseits. Die wichtigsten
Ergebnisse der durchgeführten Untersuchung sind:
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 150 -
a) Der Puls, die Minutenventilation (MV), das Inhalationsvolumens (Vi)
und der Inspirationsflusses (Vi/Ti) differenziert hoch zwischen den
verschiedenen mentalen u./o. motorischen Aufgaben.
b) Die Änderung der Atemparameter – namentlich das MV, das Vi und
Vi/Ti – weisen einen Zusammenhang mit der Aktivität des dominanten M. Trapezius auf. Diese Aktivität wiederum ist mit der Beanspruchungs-Einschätzung eng verknüpft.
c) Die Pulsantworten weisen als einzige einen Zusammenhang mit dem
M. Frontalis auf, welcher, wie auch der Puls, in Beziehung steht wie
interessant eine Aufgabe eingeschätzt wurde.
d) Ein signifikanter Zusammenhang zwischen der subjektiven Bewertung
von Beanspruchung und Vi, MV, Vi/Ti sowie mit dem Puls konnte gezeigt werden.
e) Die Aktivität des dominanten M Trapezius und des M. Frontalis stehen zwar miteinander in Beziehung, weisen aber eine ganz unterschiedliche Kontrastmatrix auf.
f) Ein Vergleich der Leistungsparameter zeigt, dass wenn Gedächtnisstest und peripherer Reaktionstest zusätzlich mit dem Tracking zu
bewerkstelligen ist, sich die Leistung in der Gedächtnissaufgabe leicht
verschlechtert, nicht aber in der peripheren Aufmerksamkeitsaufgabe.
Die vorliegende Untersuchung bestätigt die von die von Mador und Tobin
(1991) gefundenen signifikanten Unterschiede von Atemparameter zwischen
mentaler Aktivität und entspannten Wachphasen (resting wakefulness). Wir
atmen schneller (Ti) und tiefer (Vi) ein, der Inspirationsfluss (Vi/Ti) sowie die
Minutenventilation und Herzrate nehmen zu, wenn wir arbeiten. Zusätzlich
nahm die Variabilität der Atemparameter während Arbeit ab, wie auch schon
von Althaus et al., (1998) und Boiten (1998) gezeigt wurde.
Herz, Atem- und die Aktivierung Aufgaben-irrelevanter Muskulatur differenzierten klar zwischen den verschiedenen ausgeführten Aufgaben. Die gefundenen Veränderungsmuster sind deutlich unterschiedlich. Die AtempaI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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rameter nahmen v.a. beim Tracking (T1), Multitest (T3) und beim schnellen
Tapping zu. Diese Zunahme war durch die Vergrösserung des Inspirationsvolumens (Vi) bedingt. Die Aktivierung des dominanten Trapezius zeigte ein
ähnliches Verhalten wie die Atemparameter. Die Herzrate hingegen nahm
am meisten unter dem Multitest (T3), gefolgt vom Kombitest (T2) zu, wobei
die Herzrate beim langsamen Tapping recht deultich abnahm. Ein ähnliches
Verhalten wie die Herzrate zeigte die Aktivierung des M. frontalis. Unter den
ausgeführten Aufgaben mit verschiedenen mentalen und motorischen Anteilen ergaben sich zwei verschiedene Aktivierungsmuster, wobei sich einerseits Herzrate und M. frontalis und andererseits dominanter M. Trapezius
und Atmung ähnlich verhalten.
Viele Autoren (Turner und Carroll, 1985; Carroll et al., 1986, 1987; Harding
1987; Rouselle et al., 1989; Wilson & Eggemeier 1991, Grossman 1992;
Wientjes 1992;) haben unter mentaler Arbeit eine Abnahme des Inspirationsvolumens gefunden. Andere Autoren (Gautier, 1969; Rigg et al., 1977,
Bechbache et al., 1979; Morgan und Cameron, 1984; Allen et al., 1986;
Shea et al., 1987; Allen und Crowell, 1989;) konnten keine Änderung des
Inspirationsvolumens bei psychischer Belastung nachweisen. Im Gegensatz
dazu haben Mador und Tobin (1991) eine Zunahme des Inspirationsvolumens während dem Lösen von arithmetischen Aufgaben gefunden. Wientjes
et al (1998) stellten unter mentaler Anstrengung eine starke Zunahme des
Drives (Vi/Ti) fest. In der vorliegenden Studie wurden lediglich beim Kombitest (T2) und beim langsamen Tapping (T4) eine Abnahme des Inspirationsvolumens gefunden. Bei den drei anderen Aufgaben hat das Inspirationsvolumen zugenommen. Wientjes et al. (1998) veränderten die subjektive Motivation der Versuchsteilnehmer und fanden eine Zunahme in Vi mit steigender psychomentaler Belastung. Sie schlossen daraus, dass Vi ein guter
‚Stressindikator’ sein müsse.
Im vorliegenden Versuch zeigt Vi sowie auch MV und Vi/Ti ein ähnliches
Verhalten wie die Aktivierung des nicht Aufgaben-relevanten dominanten
Trapezius. Weber et al (1980) untersuchten die Auswirkungen von 4 verschiedenen repetitiven Aufgaben auf die Aktivierung des M. Trapezius und
M Splenius capitis. Die zwei Aufgaben, die eine Diskriminierung verlangten
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wiss. Arbeit
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wiesen eine deutlich erhöhte Aktivierung der Nackenmuskulatur auf.
Waersted et al (1991) konnte bei einer Untergruppe seiner Versuchspersonen aufzeigen, dass je komplexer eine Aufgabe desto höher war die Aktivierung im Trapezius. Boucsein und Thun (1996) wiesen unter gut kontrollierten
Feldbedingungen die aktivational unterschiedliche Wirksamkeit von Unterbrechungen auf die Aktivierung des M. Trapezius während der Arbeit nach.
Eine offizielle Kurzpause verringerte die EMG Aktivität des Trapezius, während eine erzwungenen Pause (Absturz des Computers) die Trapezius Aktivität ansteigen liess. Der M. Trapezius weist bei gesunden Versuchspersonen die höchste Frequenz von Empfindungs-Punkten (tender points) (Yunus
et al 1981), Trigger Punkten (Sola et al 1955) und Berührungs Empfindlichkeit (Nakata et al 1993) unter den Aufgaben-irrelevanten Muskeln auf. Im
Zusammenhang mit Arbeitsbedingungen kann eine hohe Pravalenz von
Schmerz- oder klinischen Symptomen im oberen M. Trapezius aufgezeigt
werden (Winkel und Westgaard 1992). Eine Aufgabe, die eine deutliche M.
Trapezius Aktivierung beinhaltet birgt längerfristig die Möglichkeit Beschwerden zu verursachen. Es muss hier angefügt werden, dass die hohe Trapezius Aktivierung während der Aufgaben mit Tracking (T1 und T3) auch vereinzelte direkte Trapezius Aktivierung beinhalten kann, insbesondere wenn Positions-Änderungen des Armes durchgeführt wurden. In den gemachten Videoaufnahmen konnte dies zwar nicht bestätigt werden. Wir können aber
nicht mit Sicherheit ausschliessen, dass hier eine gewisse systematische
Verzerrung vorliegt und desshalb der M. Trapezius nicht vollständig als Aufgaben-irrelevante Muskulatur anzusehen ist.
Die vorliegende Untersuchung zeigt deutlich, dass Aufgaben, die eine kontinierliche oder hochfrequentige Aufmerksamkeit, Handlung, Handlungsüberwachung und -Korrektur benötigen mit einer erhöhten Aktivierung des M.
Trapezius und einer Zunahme des Vi und MV einhergehen.
Die Aktivität des M. Frontalis zeigt eine anderes Muster auf, sie war insbesondere bei der Multitestaufgabe, der Kombitestaufgabe aber auch beim
Tracking am höchsten und bei den beiden Tapping Aufgaben tiefer. Die
Grössenordnung der M. Frontalis Aktivierung in Prozent der Maximum Voluntary Contraction entspricht den Befunden von Waersted und Westgaard
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(1996). Die Trapeziusaktivität kann nicht verglichen werden, da ein anderer
Referenzwert herangezogen wurde. So wurde der M. Frontalis v.a. bei denjeniegen Aufgaben stärker aktiviert die als interessanter eingestuft wurden.
Die Einschätzung der kongitiven Anforderung durch die Experten entsprach
genau der subjektiven Einschätzung wie interessant eine Aufgabe war. Ritz
(1996) berichtet über eine Aktivierungs des M. frontalis schon während den
Vorbereitungsphasen für Armanspannungsaufgaben. Einen Zusammenhang
zwischen der Aktivierung des M. Frontalis und subjektiv berichteter Anspannung während Stressimagination konnten Passchier und Helm-Hylkema
(1981, zit. nach Ritz 1996) aufzeigen.
Beide Veränderungsmuster zeigen ganz eindeutig Beziehungen zur subjektiven Beanspruchungseinschätzung auf. Die subjektive Beanspruchung
beeinhaltet demgemäss eine Integration der induzierten Anspannung und
des Interessens, das einer Aufgabe entgegengebracht wurde. Oder in anderen Worten, wie ‚blöd’ eine Aufgabe ist oder wie interessant wird mit der erlebten Anspannung verrechnet. Yeh und Wickens (1988) kamen aufgrund
von Untersuchungen über Leistungsparameter und subjektiven Beanspruchungseinschätzung zum Schluss, dass die beiden Indikatoren v.a. in sogenannten underload oder overload Situationen dissoziieren.
Verschiedene Autoren fanden eine Zunahme der Respirationsrate unter
mentaler Arbeit (Allen & Crowell, 1989; Porges & Raskin, 1969, Grossman
1992, Harding 1987, Wientjes 1992, Wilson & Eggemeier 1991). Im Gegensatz dazu fanden Miller & Ditto (1988) eine Abnahme der Respirationsrate
während einer 25-minütigen Serienaufgabe. Porges & Byrne folgern in Ihrer
Studie von 1992, dass eine Zunahme der Respirationsrate mit stressvoller
Aufmerksamkeit korreliert zu sein scheint, während eine Abnahme der Respirationsrate wohl Indikator einer Abnahme der Aufmerksamkeit während
einer Aufgabe darstelle. Veltman & Gaillard (1998) postulierten, dass die
Respirationsrate das beste Mass für mentale Arbeit darstelle. Allerdings fanden die Autoren in derselben Studie keinen direkten Zusammenhang zwischen der Aufgabenschwierigkeit und der mentalen Anstrengung sowie der
Respirationsrate. Auch in der vorliegenden Untersuchung differenzierten die
zeitlichen Parametern nicht zwischen den verschiedenen Aufgaben. Die MV,
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das Vi, Vi/Ti und der Puls differenzieren zwischen den verschiedenen Aufgaben, wie auch die subjektiven Einschätzungen der Beanspruchung und
des Interesses.
Ein Zusammenhang zwischen der Atmung und der Motorik der Extremitäten
wurde von Haas et al. (1986) nachgewiesen. Tatsächlich wurde in der vorliegenden Studie eine Beziehung zwischen der motorischen Anforderung
und dem Inspirationsvolumen sowie der Minutenventilation gefunden. Die
gefundene Zunahme der Minutenventilation ist unter den Aufgabenbedingungen ist als gross zu werten. So nahm unter dem Multitest die Minutenventilation im Mittel um 3 Liter zu. Schleifer und Ley (1994) zeigten, dass
während Entspannung die Atmung im Gleichgewicht ist mit den metabolischen Anforderungen, während mentaler Arbeit aber die Atmung den metabolischen Bedarf übersteigt, gemessen am pCO2. Auch Wientjes et al
(1998) demonstrierte, dass während mentaler Arbeit leicht hyperventiliert
wird. Die in unserer Untersuchung gefunden Zunahme der Minutenventilation kann nicht alleine durch die metabolischen Bedürfnisse der arbeitenden
Muskulatur erklärt werden. Es ist höchst plausible, dass eine leichte Hyperventilation ausgelöst wurde insbesondere während dem Multitest (T3) dem
schnellen Tapping (T5) und dem Tracking (T1).
In unserer Studie konnte ein Zusammenhang zwischen dem Puls und der
Motorik und der subjektiven Beanspruchungs-Bewertung gefunden werden.
In verschiedenen Studien wurde die Herzfrequenz als sensibles Mass für
mentale Arbeitsbelastung gefunden (Roscoe 1992, Wilson 1992). In der vorliegenden Studie reagierte der Atemparameter MV aber wesentlich sensibler
sowohl auf die gemessener muskuläre Anspannung der Nackenmuskulatur
sowie auf die subjektive Bewertung. Dazu muss angemerkt werden, dass die
Zusammenhänge mit Kontrast-Matrixen überprüft wurden, die letztlich Mittelwerte repräsentieren und nicht die eigentlichen subjektiven Bewertungen.
Eine Berücksichtigung der individuellen Einschätzungen und der physiologischen Antworten könnte mittels individueller (für jede Versuchsperson)
Rangskalierung durchgeführt werden, wobei die physiologischen Parameter
den Rängen zugeordnet werden um sie dann mittels Varianzanalyse zu prüfen. Dies ist sehr aufwändig und wurde hier nicht durchgeführt. Die gefundeI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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nen Zusammenhänge zwischen den Parametern sind daher als grob zu betrachten.
Die Verteilung zwischen männlichen und weiblichen Versuchspersonen war
recht gut ausgeglichen. Wie die statistische Analyse gezeigt hat, haben
Männer und Frauen nicht signifikant unterschiedlich auf die gestellten Aufgaben reagiert, obwohl sie grundsätzlich unterschiedlich atmen. Das zeitliche Engagement lag für die Versuchspersonen wohl eher an der oberen
Grenze. Die gefundene leichte Abnahme des Drive während den Pausen in
zeitlicher Reihenfolge deutet auf eine eintretende Ermüdung gegen Ende
der Versuche hin.
Die Vergleiche der Leistungsparameter zeigen, dass sich die Leistung im
Gedächtnisstest verschlechtert nicht aber die Leistung im peripheren Reaktionstest wenn die beiden Aufgaben mit dem Tracking kombiniert werden.
Das Tracking selber wurde davon nicht betroffen. Es zeigte sich also eine
einseitige Interferenz zwischen Tracking und Gedächtnisstest. Wenn zwei
oder mehr Aufgaben als Dual- oder Multipletask kombiniert werden, so werden laut Damos (1991) im allgemeinen die Leistungen in allen Aufgaben degradiert. Dies war nicht der Fall in der vorliegenden Untersuchung, nur die
Leistung der Gedächtnissaufgabe wurde verschlechtert. Der Unterschied
zwischen den von Damos (1991) evaluierten Dualtask Situationen und unserer Untersuchung ist, dass hier die Aufgaben einzeln als Ganzes eingeübt
wurden mit Ausnahme der Tracking Aufgabe. Verschiedene Autoren haben
darauf hingewiesen, dass der Grad des Trainings in jeder einzelnen Dimension einer Mehrfachverrichtung, sowie der Grad des Trainings einer Mehrfachverrichtung als Ganzes das Ausmass und die Richtung der Aufgabeninterferenz (Mc Leod 1991, p 182, Gopher und Donchin 1986) beeinflussen.
Zusätzlich werden Aufgaben die das Kurzzeit oder Arbeitsgedächtniss beanspruchen als am Störungs-empfindlichsten angeschaut (Hockey 1997). Es
muss aber auch erwähnt werden, dass im Multitest die Farbe des sich bewegenden (Tracking) Kreises ändert, im Kombitest liegt der farbwechselnde
Kreis unbeweglich in der Mitte des Bildschirmes, zudem war der Effektor im
Kombitest die dominante Hand, im Multitest die nicht dominante Hand. Der
Wechsel des Effektors auf die nicht-dominante Seite könnte einerseits eine
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Reaktionsverlangsamung andererseits eine implizite Degradierung der Aufgabe auslösen. Das Tracking stellt eine kontinuierliche Aufgabe dar, die
dauernde Wahrnehmung des Input wie des Outputstimulus verlangt und die
notwendige Handlung ist nicht einfach auf den Knopf drücken sondern eine
direktionale Bewegung. Dies, zusammen mit dem Handwechsel der Gedächtnissaufgabe könnte dazu geführt haben, dass das Tracking als primäre
Aufgabe angesehen wurde, auch wenn sie nie explizit als solche eingeführt
wurde. Wir wissen, das eine als primär eingeschätzte Aufgabe auch unter
zusätzlicher Belastung externer oder interner Art aufrechterhalten wird (Hockey 1997). Die Aufrechterhaltung des peripheren Reaktionstest kann dadurch erklärt werden, dass keine weitergehende zentrale Verarbeitung der
peripheren Stimuli notwendig ist und die Drehbewegung der peripheren Stimuli eine Antwort erzwingen. Posner (1978) vergleicht die Reaktion auf ein
plötzliches schnelles Erscheinen eines visuellen Stimulus in der Blickperipherie mit einer automatisch ablaufenden Orientierungsantwort; plötzliche
Veränderungen in der Peripherie ziehen automatisch die Aufmerksamkeit
auf sich und müssen wahrgenommen werden.
Die Reaktionszeiten der Gedächtnissaufgabe und der peripheren Reaktionsaufgabe wurden bei der Kombination mit dem Tracking nicht etwa verlängert, nein sie wurden - wenn auch nicht signifikant – verkürzt. Die Atmungsparameter sowie die Herzrate nahmen in der vorliegenden Untersuchung während der Multitest Aufgabe (Kombination von Tracking, Gedächtnis- und periphere Reaktionsaufgabe) am meisten zu, diese hohe allgemeine Aktivierung durch die Aufgabe erklärt die Verkürzung der Reaktionszeit.
Die vorliegende Untersuchung zeigt auf, dass sowohl die Atemparameter,
die Herzrate und die Muskelaktivität deutlich zwischen den verschiedenen
Aufgaben differenzieren, jeder Parameter zeigt Beziehungen zu den subjektiv erfassten Beanspruchungseinschätzungen, wobei diese besonders ausgeprägt ist bei der M. Trapezius Aktivierung und der Minutenventilation. Alle
Parameter weisen ein spezifisches Muster auf sowie Abweichungen (Dissoziationen) untereinander. Die Atemparameter, insbesondere die Minutenventilation und das Inhalationsvolumen, stehen in Beziehung zum EMG des M.
Trapezius, die Herzrate zum M. Frontalis. Aus klinischer Sicht dürfte die AkI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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tivierung des M. Trapezius relevanter eingestuft werden, als die M. Frontalis
Aktivierung. Die Zunahme der Minutenventilation ist höher als metabolisch
gerechtfertigt und deutet darauf hin, dass die beanspruchenden Aufgaben
eine gewisse Hyperventilation induzierten.
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7 Experiment III: Einfluss von Gerüchen auf
Atmung und mentale Performance
7.1 Fragestellung
Wir sind fähig, geringste Mengen von Umweltsubstanzen zu riechen und sie
als angenehm oder unangenehm zu klassifizieren. Einflüsse von Gerüchen
auf unser Verhalten und die mentale Leistung sind Phänomene die generell
akzeptiert werden, obwohl die wissenschaftliche Beweisführung als mangelhaft einzustufen ist. Shustermann (1992) zeigte auf, dass Geruchsbelästigungen einem grossen Anteil der eingereichten Beschwerden an die zuständigen US Air Pollution Behörden zugrunde liegen
Untersuchungen über Geruchsauswirkungen auf die mentale Leistung konnten in der Mehrzahl keine direkten Auswirkungen nachweisen. So wurde eine kognitiven Aufgabe von 5 Jahre alten Kindern gleich gut gelöst in einem
geruchsfreien oder in Räumen mit verschiedenen Gerüchen. Die Kinder
wurden vorgängig einer Situation unterzogen, wo ein Geruch vorhanden war
und sie ein frustrierenden Erlebnis hatten. Wenn in der nachfolgenden Aufgabensituation dieser spezielle Geruch vorhanden war, zeigten diese Kinder
eine Abnahme in der kongitiven Leistung. Die Untersuchung wies nach, dass
die Gerüche auf die experimentelle Situation konditioniert wurden und das
Verhalten der Kinder beeinflusste (Epple und Herz 1999). Gilbert et al (1997)
untersuchten die Auswirkungen von Gerüchen auf die Stimmung und die
Leistung und fanden keinen Einfluss darauf, die Suggestion eines Geruches
hingegen bewirkte eine Geschlechts- abhängige Interaktion auf die Leistung
in einer sogenannten digit-span-deletion Aufgabe. In all diesen Untersuchungen war der Untersuchungs-Raum mit einem angenehmen oder unangenehmen Geruch ‚parfümiert’ ohne, dass man dies den Versuchspersonen
mitgeteilt hätte, und die Versuchspersonen nahmen den Geruch meist nicht
bewusst wahr. Auch die Auswirkungen von periodisch schnell anschwellenden Geruchsexpositionen, auf die mentale Leistung wurde untersucht
(Knasko 1993). Die Geruchexpositionsart ist hier ganz anders und es kann
davon ausgegangen werden, dass die Geruchsexpositionen bewusst wahrgenommen wurden. Aber auch hier konnten keine Auswirkungen auf die
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Leistung festgestellt werden. Diejenigen Versuchspersonen, die zu übelriechenden Gerüchen exponiert wurden berichteten, dass sie meinten, der Geruch hätte eine negative Auswirkung auf ihre Leistung, Stimmung und Gesundheit ausgeübt. Degel und Köster (1999) liessen eine Gruppe von Versuchspersonen in einem Raum mit Lavendel-Duft, die andere in einem
Raum mit Jasmin-Duft eine mathematische und eine sprachliche Aufgabe
lösen. Die Leistung der Versuchspersonen, die im Lavendel-Raum gearbeitet hatten war besser als die der Jasmin-Raum Gruppe. Keine dieser Studien untersuchte die Auswirkungen auf physiologische Parameter.
Leistungsveränderungen durch oder unter dem Einfluss von Umweltstressoren werden entweder durch eine Steigerung der zentralen Aktivierung (arousal) durch den Stressor oder durch Ablenkung erklärt (Loeb 1986, Hockey
1997). Das Konzept der gesteigerten zentralen Aktivierung kann zu
Sharpless und Jasper (1956), Malmo (1959) und Duffy (1962) zurückverfolgt
werden. Diese nahmen an, dass die zentrale Aktivierung abhängig ist von
der Menge des sensorischen Inputs sowie vom Grad der momentanen Tätigkeit und dass, ein Aktivierungs-Optimum besteht, unter oder über dem die
Leistung abnimmt (vergl. Yerkes-Dodson law). Dieses Konzept wurde z.B.
von Degel und Köster (1999) herangezogen um zu begründen warum unter
dem erregenden Duft die Leistung abnahm und unter dem beruhigenden
Duft die Leistung verbessert wurde. Die Ablenkungshypothese nimmt an,
dass Umweltstimuli eine psychophysiologische Antwort auszulösen vermögen. Diese Reiz-Antwort sei mit den Aufgabenanforderungen inkompatibel
und degradiere damit die Leistung. Die Reaktionsgrundlage dafür bilden angeborene Orientierungs- und Schreckreaktionen, die eine Abwehrreaktion
nach sich ziehen können. Broadbent (1979) nahm an, dass kontinuierliche,
nicht-neue Reize keine Ablenkung verursachen. Gemäss dieser Konzeption
ist Ablenkung durch Veränderungen in unserer Umwelt bedingt und Aktivierungsverschiebungen werden durch kontinuierliche Stimulation ausgelöst.
Die übliche Interpretation von Pavlov (1927) und Sokolov (1963) geht davon
aus, das jede Veränderung in unserer Umwelt ausreicht um eine Orientierungsantwort auszulösen. Das erscheint in Anbetracht der Variabilität unserer Umgebung nicht plausibel (Ben-Shakhar et al 2000). Bernstein (1979)
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argumentierte, dass eine Reizänderung allein nicht genügt um eine Orientierungsantwort auszulösen und schlug als zusätzliche Bedingung die ReizWichtigkeit (Signifikanz) vor. Lang et al (1997) meint, dass Reiz-Wichtigkeit
im Zusammenhang mit der motivationalen (emotionalen) Bedeutung eines
Reizes steht. Die Hypothese, die dieser Untersuchung zugrunde liegt, geht
davon aus, dass gemäss der emotionalen Valenz der Geruchsreize eine Orientierungsreaktion ausgelöst wird, und wenn dies während mentaler Arbeit
geschieht, bewirkt dies eine Leistungsverminderung.
Die hier präsentierte Untersuchung wurde entworfen, um die langzeitlichen
und kurzeitigen Einflüsse verschiedener Gerüche auf die Atmung zu erfassen; einerseits während Ruhe, andererseits während einer mentalen Aufgabe. Ferner um den Einfluss der verschiedenen Gerüche auf die Leistung der
mentalen Aufgabe zu untersuchen. Die vier verwendeten Gerüche waren:
1. Pentylacetat, das fruchtig und nach Bananen riecht (C7H14O2)
2. Menthol, riecht nach Pfefferminze (C10H18O)
3. H2S, riecht nach Fäkalien (Hydrogensulfid)
4. NH3 riecht nach verrottetem Käse oder Fensterputzmittel (Ammoniak)
Die Gerüche wurden dergestalt ausgewählt, dass 2 von ihnen üblicherweise
als angenehm (Pentylacetat und Menthon), zwei als unangenehm wahrgenommen werden (H2S und NH3), sowie dass Variationen in der Aktivierung
von olfaktorischen und trigeminalen Rezeptoren bestehen. Pentylacetat und
Menthon aktivieren beide Rezeptortypen, H2S fast ausschliesslich olfaktorische und NH3 v.a. trigeminale Rezeptoren.
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7.2 Methodik
Die Versuche fanden in der Klimakammer des Instituts für Hygiene und Arbeitsphysiologie während der Sommersemesterferien statt. Der Versuch
wurde der Ethik-Kommission der ETHZ vorgängig unterbreitet und von dieser bewilligt. Der Versuch wurde als 6x4 within Subjekt Design angelegt.
7.2.1 Versuchspersonen
Insgesamt wurden 15 Versuchspersonen (Vp) rekrutiert. Die Teilnahme war
vollständig freiwillig und erfolgte telefonisch oder über E-Mail aufgrund eines
Aushanges, der an diversen Orten der Universität und ETH Zürich angebracht worden war. Die Bedingungen für eine Teilnahme waren, dass die Vp
NichtraucherInnen waren, keine Allergien aufwiesen, zur Zeit des Versuches
gesund waren, keine Medikamente einnahmen und an keiner Klaustrophobie (Platz- Raumangst) litten. Die Vp erhielten Fr. 180.— für den gesamten
Versuch. Nach jeder Sitzung wurden den Vp Getränke und ein Snack angeboten.
7.2.2 Versuchsdesign und Sitzungsablauf
Die Versuchspersonen nahmen an total 6 Sitzungen teil, davon waren 2 VorSitzungen und 4 eigentliche Geruchssitzungen. Eine Geruchssitzung beinhaltete total 6 Phasen, 2 ohne Geruch, 2 mit schwachem Geruch (individuelle Geruchsschwelle) und 2 mit stärkerem Geruch (doppelte Geruchsschwelle). Jede Geruchskonzentration sowie die Reinluft wurde einerseits unter
Ruhebedingungen und andererseits während einer mentalen Aufgabe (MultiTest) präsentiert. Die vier Geruchssitzungen sowie die Sequenz der Phasen
wurden mittels eines Zufallsgenerators randomisiert. Der Beginn einer Sitzung war immer eine Ruhephase und jeder Ruhephase folgte eine Arbeitsphase. Am Ende jeder Phase füllten die Vp ein graphisches Differential aus.
In den zwei Vorsitzungen wurde die individuelle Geruchsschwelle für die 4
verschiedenen Gerüche mittels desselben Luftzufuhrsystems wie später im
eigentlichen Versuch angewendet und ausgetestet, mit dem zusätzlichen
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Effekt, dass sich die VP an die experimentelle Situation gewöhnen konnten.
Das Freiburger Persönlichkeitsinventar wurde in der ersten Vorsitzung ausgefüllt. In beiden Vorsitzungen wurde die mentale Aufgabe zweimal geübt.
Am Ende der 6 Sitzungen folgte eine abschliessende Befragung und ein
Debriefing. Darin wurden den Versuchspersonen die Namen und die Reihenfolge der Gerüche mitgeteilt.
7.2.3 Apparatur
Die Vp wurden an einen Schreibtisch gesetzt, Stuhl und Tisch ergonomisch
eingestellt und eine Nasen- und Mundatmungsmaske angepasst (T-förmiges
TV Ventil, Adults (schmal oder medium) Hans Rudolph Inc. MO, USA). Die
Maske war via Zwei-Weg-Ventil mit der Luftzufuhr verbunden, die ausgeatmete Luft wurde durch eine Kapelle nach draussen weggeführt. Pentylacetat
und Menthon, lagen in flüssiger Form vor, Hydrogensulfid (H2S) und Ammoniak (NH3), wurden beide aufbewahrt in Gasflaschen. Die Zubereitung und
Zufuhr der Geruchskonzentrationen ist in Abbildung 31.
Abbildung 29: Zubereitung und Verabreichung der Gerüche
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Zuerst wurde Pressluft durch einen Aktivkohlenfilter gepresst und dann in
einem schwach geheizten Befeuchter auf 50% Luftfeuchtigkeit gebracht.
Danach teilte sich der Luftstrom: Luftfluss A wurde direkt in den Verteilungskessel geleitet, Luftfluss B wurde als Träger der Gerüche eingesetzt. Flüssige Gerüche wurden durch einen Spritzenvorschub in einen Diffusor mit einem Heizblock eingespritzt. Die gasförmigen Chemikalien wurden von der
Gasflasche direkt in den Diffusor gegeben. Durch verschiedene Rotameter
konnte der „parfümierte“ Luftfluss geregelt und in den Verteilkessel geleitet
werden, woraus abgeatmet wurde.
7.2.4 Geruchsschwellenbestimmung
Zur Bestimmung der individuellen Geruchsschwellen wurde den Vp zuerst
reine Luft angeboten, dann Luft mit einer minimalen Geruchskonzentration
mittels desselben Geruchsaufbereitungs- und Zuführungssystem, wie oben
beschrieben. Die Geruchskonzentration wurde schrittweise erhöht, jeweils
intermittierend mit reiner Luft, bis die Vp angab den Stoff zu riechen. Zur
Kontrolle wurden noch zwei höhere Konzentrationen verabreicht. Nach einer
Pause von einer Minute wurde das Prozedere wiederholt. Pro Geruch wurde
dieses Vorgehen drei Mal wiederholt. Die individuelle Geruchsschwelle ergab jene Konzentration, bei der die Vp mit Sicherheit alle drei Male das Riechen des Geruchs bestätigte. In Tabelle 26 sind die individuellen Geruchsschwellen zusammengestellt.
7.2.5 Atemparameter
Die Aufnahme und Auswertung der Atemparameter ist im Kapitel „Aufbau
einer Atemmustermessumgebung“ detailliert beschreiben, kann also dort
nachgelesen werden.
7.2.6 Mentale Aufgabe, Multi-Test
Der Multi-Test ist ein trimodaler Computertest, bestehend aus einem Trackingtest, einem Gedächtnistest und einem peripheren Aufmerksamkeitstest.
Eine genaue Beschreibung des Multitestes findet sich im Kapitel „Verschiedene mentale Augaben“. Bei diesem Versuch spielt die Leistung oder wie sie
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gemessen werden kann eine Rolle; darum wird hier speziell darauf eingegangen. Der Vp standen ein Bildschirm, eine Tastatur, ein Digitalisierbrett
und ein Stift zur Verfügung. Auf dem Bildschirm wurde die Stiftspitze als
Kreis sichtbar. Der Arbeitsplatz konnte auch für Linkshändler eingerichtet
werden, ergonomische Kriterien wurden berücksichtigt um es der Vp so bequem wie möglich zu gestalten. Mit der einen Hand führte die Vp den Stift,
mit der anderen Hand musste sie zwei Tasten auf der Tastatur bedienen.
Beim Trackingtest bewegt sich ein Zielobjekt auf einer zufälligen, nicht sichtbaren Bahn. Die Vp musste dem Zielobjekt (ähnlich einer Kaulquappe) mit
dem Stift möglichst genau folgen. Die Abweichungen zwischen Zielobjekt
und Kreis werden in Pixels gemessen und stellt den Leistungsscore des
Trackingtests dar.
Das Zielobjekt des Trackingtestes veränderte in regelmässigen Abständen
seine Farbe, erschien also in rot oder blau oder grün. Die Vp musste sich die
Reihenfolge der Farben merken. Sobald die drei Farben einzeln hintereinander erschienen waren, musste die Vp eine Taste auf der Tastatur drücken.
Für den Gedächtnistest gab es drei Leistungs-Scores: einen qualitativen Parameter (richtige Antworten pro gegebene Antworten), einen quantitativen
Parameter (richtige Antworten pro vorgegebene richtige Sequenz), sowie die
Reaktionszeit.
In jeder Ecke des Bildschirmes befand sich ein kleiner, gemusterter Kreis. In
unregelmässigen Abständen begann einer der Kreise zu zittern. Sobald ein
Kreis anfing zu zittern muss die Vp die zweite Taste auf der Tastatur drücken. Die Leistung im peripheren Aufmerksamkeitstest wurde analog zum
Gedächtnistest mit drei Leistungsparametern beschrieben.
7.2.7 Fragebogen
- Jede Vp musste zu Beginn der ersten Sitzung Angaben zu ihrer Person
machen.
- Freiburger Persönlichkeitsinventar (FPI): Von den 12 Persönlichkeitsdimensionen wurden 3 zwecks genauerer Beschreibung der VersuchspersoI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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nen herangezogen: Körperliche Beschwerden, Gesundheitssorgen und Extraversion/Introversion.
- Semantisches Differential: Die Vp musste in den Geruchssitzungen nach
jeder Versuchsphase ihre subjektive Emotionslage anhand des SelfAssessment-Manikin (SAM) von Lang (1980) einschätzen. Lang hat das
SAM als ein non-verbales Beurteilungsverfahren konstruiert. Es enthält drei
Bildserien, welche die Dimensionen ‚Valenz’, ‚Erregung’ und ‚Dominanz’
darstellen. Jede Dimension zeigt eine Bildserie von 5 Figuren. Die Valenzdimension erstreckt sich von einem lächelnden (=angenehmen) bis zu einem
völlig unerfreulichen (=unangenehmen) Gesichtsausdruck. Die Erregungsdimension führt von ‚erregt‘ – viele Zacken in der Bauchregion, Augen weit
geöffnet – bis zur Dimension ‚ruhig’ – zackenfreie Bauchregion, Augen geschlossen. Die Dominanzdimension beginnt mit einer kleinen Figur im grossen Raum (=submissiv) und endet mit einer den Rahmen überbordenden
Figur (=dominant). Die Vp mussten in jeder Dimension an jener Stelle, die
ihren Gefühlseindruck am besten wiedergab, ein Kreuz anbringen. Dadurch,
dass sie dieses Kreuz auf einem Bild oder zwischen zwei Bildern setzten
konnten, ergab sich eine 9-stufige Skala.
- Schlussbefragung und Debriefing: Am Ende der letzten Sitzung wurden die
Vp nach dem allgemeinen Befinden während des Versuches gefragt sowie
nach dem angenehmsten, bzw. unangenehmsten Geruch. Im Debriefing
wurden sie über die Gerüche, die sie eingeatmet hatten, informiert.
7.2.8 Datenanalyse
Zur Datenanalyse wurde die Statistiksoftware SPSS 8.0.1 für Windows benutzt. Die Daten wurden zuerst auf die spezifischen Voraussetzungen der
statistischen Analysen geprüft. Da Messwiederholungen vorlagen, wurden
univariate ein- und mehrfaktorielle Varianzanalysen mit Messwiederholungen angewendet. Die Atemparameter Inhalations- und Exhalationsvolumen
einer ganzen Sitzung wurden mit den gesetzten Markern geplottet und optisch auf Abweichungen (z.B. loses Band) oder ungewöhnliches Verhalten
inspiziert. Keiner der Plots musste zurückgewiesen werden. Um die Atemantwort auf Gerüche zu untersuchen, wurden zwei Auswertungswege beI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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nutzt. Zum einen wurde der Mittelwert jeder Vp über die zwei Minuten in der
Ruhephase oder während der mentalen Arbeit, in denen der Geruch anwesend war (oder kein Geruch = Kontrollphasen), ermittelt. Die PerfomanceParameter wurden ebenso behandelt, d. h. nur die Zeitdauer, in welcher der
Geruch anwesend war, wurde ausgewertet (die gesamte mentale Aufgabe
dauerte 5 Minuten). Zum andern wurde die kurzzeitige Atemantwort analysiert, indem der Median des 2. bis 6. Atemzuges nach dem Geruchsstimulus
in Prozent des Medianes des 6. bis 2. Geruches vor dem Geruchstimulus
ausgedrückt wurde. Der Stimulus-Beginn konnte immer einem Atemzug zugeordnet werden (= 1. Atemzug), da die Pausen zum Atemzug gerechnet
wurden. Weil ein speziell tiefer oder langer Atemzug den Median nicht so
stark beeinflusst wie den Mittelwert, wurde der Median bevorzugt. Diese Analyse beschränkte sich auf die Atemparameter Ti und Vi sowie auf den abgeleiteten Parameter Vi/Ti.
Die Mittelwerte der Atemparameter sowie der Performance Parameter wurden mittels uni- oder mehrfaktorieller Varianzanalyse mit Messwiederholungen, mit Kognition (Ruhe oder mentale Arbeit), Geruch, Geruchsintensität
als within-Faktoren und dem Geschlecht als gruppierender Faktor analysiert.
Für die Signifikanz wurde der Huyn-Feldt p-Wert herangezogen. Unterschiede zwischen den kurzzeitigen Atemantworten mit oder ohne Geruch wurden
mittels Wilcoxon geprüft. Post-hoc-Überprüfung von Unterschieden wurden
mittels gepaarten t-Test evaluiert. P-Werte < 0.05 wurden als signifikant betrachtet. Interaktionen mit dem Geschlecht werden erwähnt aber nicht ausführlich diskutiert (zu kleine Probandenzahl).
7.3 Resultate
7.3.1 Versuchspersonen:
Insgesamt wurden 15 Versuchpersonen rekrutiert, davon konnten die Daten
von 12 Personen verwendet werden. 2 Versuchpersonen sind ausgeschieden, weil sie die Situation nicht ertrugen, 1 Versuchsperson wurde ausgeschlossen, da eine Volumenkalibration des Respitrace nicht möglich war.
No.
Alter
Sex
Geruchsschwelle mg/m
3
FPI
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 167 -
1
2
3
5
7
8
9
10
11
13
14
15
27
24
22
24
23
24
26
22
20
36
24
26
m
m
w
m
m
w
w
w
m
w
w
m
Pentylacetat
0.232
0.450
0.184
0.232
0.139
1.124
0.899
1.124
0.460
0.368
0.347
1.124
Mean
Median
(SD)
24.8
24
6w
6m
0.557
(0.368)
Menthon
0.046
0.115
0.046
0.092
0.142
0.283
0.190
0.142
0.142
0.142
0.188
0.190
H2S
NH3
Koebe
Gesorg Extrav
0.009
0.018
0.012
0.023
0.018
0.022
0.013
0.007
0.018
0.044
0.007
0.009
3.2
4.0
4.0
4.0
7.7
7.7
4.5
6.2
4.7
6.2
4.7
3.2
2
4
5
2
4
3
1
7
4
4
4
7
4
4
8
4
1
4
1
3
6
2
4
6
5
6
6
3
7
6
6
2
1
4
3
5
0.143
0.017
5.008
(0.066) (0.010) (1.57)
3.9
4.0
3.9
4.0
4.5
5
Tabelle 26: Charakterisierung der Versuchpersonen und individuelle Geruchsschwellen
Das Geschlecht war genau verteilt: 6 weibliche und 6 männliche Versuchspersonen wurden gestestet, 2 davon waren Linkshändler. Das mittlere Alter
betrug 24.8 Jahre (Median 24). Zur besseren Beschreibung der Versuchpersonen sind die Parameter Körperliche Beschwerden (Koebe, 1= nie bis 9=
massive), Gesundheitliche Sorgen (Gesorg,1 = unbesorgt bis 9 = völlig besorgt) und Extraversion/Introversion (Extra, 1 = introvertiert bis 9 = extravertiert) des FPI aufgeführt.
7.3.2 Atemparameter
7.3.2.1 Auswertung der Atemparameter über 2 Minuten
Ausgewertet wurden jeweils die 2 Minuten, in denen ein Geruch präsent war.
Bei den Phasen, in denen kein Geruch vorhanden war, wurden ebenfalls die
mittleren 2 Minuten ausgewertet. Tabelle 27 zeigt die Mittelwerte und Standardabweichungen unter den verschiedenen Bedingungen, aufgeteilt nach
Gerüchen. Mittels des General-Linear-Modells mit Messwiederholungen
wurden die Within-Faktoren Geruch, Geruchsintensität (kein Geruch, Geruch,
Geruch/
RO
R1
R2
MO
M1
M2
Variable
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 168 -
Pentylacetat
Ti (s)
1.63 (0.22)
1.59 (0.20)
1.55 (0.22)
1.45 (0.09)
1.45 (0.13)
1.48 (0.07)
Ti/Te
0.85 (0.22)
0.82 (0.19)
0.79 (0.16)
0.69 (0.06)
0.69 (0.07)
0.7 (0.05)
Vi (ml)
541 (179)
523 (188)
590 (218)
597 (221)
593 (200)
586 (220)
Vi/Ti (ml/s)
337(126)
421 (185)
385 (169)
417 (174)
411 (136)
397 (147)
MV (ml/min)
7963
(2513)
7401
(2458)
8666
(3310)
11304
(3950)
11041
(3703)
11190
(4180)
RR (AZ/min)
15.17(3.1)
14.69(3.3)
15.06(3.2)
19.3 (4.2)
18.9(4.1)
19.3(3.8)
Menthon
Ti (s)
1.55 (0.17)
1.58 (0.23)
1.54 (0.16)
1.46 (0.9)
1.46 (0.17)
1.49 (0.17)
Ti/Te
0.78 (0.17)
0.81 (0.24)
0.78 (0.13)
0.69 (0.07)
0.69 (0.07)
0.69 (0.07)
Vi (ml)
522 (164)
551 (174)
562 (138)
619 (190)
605 (188)
610 (196)
Vi/Ti (ml/s)
344 (132)
354 (124)
368 (105)
420 (120)
414 (127)
417 (151)
MV (ml/min)
789
(2636)
7580
(1919)
7862
(1902)
11568
(3304)
11264
(3536)
11100
(3553)
RR (AZ/min)
15.21(2.5)
14.23 (2.9)
14.24 (2.3)
18.7 (3.9)
18.8 (3.9)
18.49 (4.2)
H2S
Ti (s)
1.53 (0.19)
1.57 (0.24)
1.53 (0.19)
1.49 (0.10)
1.48 (0.08)
1.49 (0.08)
Ti/Te
0.81 (0.19)
0.81 (0.19)
0.76 (0.15)
0.71 (0.08)
0.71 (0.06)
0.70 (0.07)
Vi (ml)
539 (177)
548 (219)
557 (204)
624 (251)
602 (237)
645 (282)
Vi/Ti (ml/s)
362 (143)
363 (175)
375 (165)
417 (160)
404 (153)
435 (206)
MV (ml/min)
7816
(2424)
8702
(3560)
8671
(3010)
12054
(4815)
11374
(4488)
11900
(4332)
RR (AZ/min)
14.78 (2.2)
16.3 (4.3)
16.1 (3.9)
19.63 (3.4)
19.2 (3.4)
19.09 (3.5)
NH3
Ti (s)
1.65 (0.22)
1.63 (0.41)
1.53 (0.15)
1.46 (0.13)
1.49 (0.12)
1.40 (0.14)
Ti/Te
0.85 (0.24)
0.79 (0.2)
0.76 (0.11)
0.69 (0.09)
0.72 (0.07)
0.67 (0.08)
Vi (ml)
556 (168)
549 (147)
514 (158)
609 (159)
606 (173)
600 (190)
Vi/Ti (ml/s)
337 (97)
359 (129)
338 (110)
417 (112)
407 (119)
436 (163)
MV (ml/min)
8233
(2069)
7845
(2266)
8428
(2608)
11429
(3323)
11552
(3369)
11093
(3513)
RR (AZ/min)
15.5 (4.1)
14.65 (3.4)
16.93 (4.7)
18.99 (3.9)
19.2 (2.5)
18.7 (3.1)
Tabelle 27: Mittelwerte und Standardabweichung der einzelnen Atemparameter aufgeschlüsselt nach Gerüchen.
stärkerer Geruch), und die Kognition (Ruhe oder mentale Aufgabe) sowie
der between-Faktor Sex untersucht. Wie in der Tabelle 28 ersichtlich, wird
bei den meisten Atemparametern und Gerüchen der Einfluss der Kognition
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 169 -
sichtbar. Der Geruch und die Geruchsintensität haben keinen Einfluss auf
die Atemparameter.
Variable
Geruch
f(3/30) H-F
Intensität
f(2/20) H-F
f(1/10)
0.97
0.99
0.38
0.92
1.94
0.19
0.059 --0.094 1.20
0.32
0.025* 2.6
0.13
0.002 --0.67
2.17
0.15
0.5
6.8
0.026
0.44
--0.091 0.54
0.47
0.092* 1.79
0.21
0.050* --0.63
1.64
0.22
0.80
0.75
0.40
0.74
--0.68
3.22
0.075
0.5
2.74
0.129
0.11
--0.65
2.51
0.106
0.50
9.60
0.011
0.51
---
Kognition
f(1/10) H-F
Vi
(0 excl.)
(nur GS2)
Ti
(0 excl.)
(nur GS2)
Vi/Ti
(0 excl.)
(nur GS2)
RR
(0 excl.)
(nur GS2)
RC%
(0 excl.)
(nur GS2)
Ti/Te
(0 excl.)
(nur GS2)
MV
(0 excl.)
(nur GS2)
0.08
0.15
0.061
2.42
3.94*
6.08
0.51
0.79
0.94
2.57
2.73*
3.10*
0.24
0.31
0.39
0.49
0.79
2.14
0.55
0.79
0.76
8.60
7.09
4.56
25.2
25.49
23.31
41.5
39.05
34.57
17.1
15.86
11.52
13.0
9.91
5.91
7.49
6.46
8.60
24.0
23.19
19.97
0.015
0.024
0.056
0.001
0.000
0.001
0.000
0.000
0.000
0.002
0.003
0.006
0.005
0.010
0.033
0.021
0.029
0.014
0.001
0.001
0.001
Sex
f(1/10) HF
Inter.
0.67
0.28
0.45
0.6
0.72
0.61
0.41
0.45
0.00
0.01
0.95
0.89
0.48
0.56
0.5
0.46
2.12
2.50
0.17
0.14
2.48
1.83
0.14
0.20
0.1
0.12
0.75
0.72
-G/I/K/S
--G/S
--G/K/S
--G/IK
-K/SK/S
K/S
----G/K/S
--
Tabelle 28: General Linear Modell mit Geruch, Geruchsintensität und Kognition als
within Faktor und Sex als between Subjekt Faktor. G = Geruch, I = Intensität,K = Kognition, H-F = p von Huyn-Feldt. * Varianzgleichheit nicht erfüllt. (0excl.)=Phasen ohne
Geruch
weggelassen,
(nur
GS2)=
nur
Phasen
mit
stärkerem
Geruch
(2xGeruchsschwelle)
Da die geruchsfreien Phasen den einzelnen Gerüchen zugeordnet sind und
den Geruchseinfluss verdünnen könnten wurden sie ausgeschlossen und
die Analyse nochmals durchgeführt (Tabelle 28 (0 excl.)). Wiederum war der
Einfluss der Kognition hoch signifikant, der Geruch nur in Ti; (cave: Varianz
Voraussetzungen nicht erfüllt). Die Intensität des Geruches wurde in Vi/Ti
und in MV signifikant. Vi/Ti und MV nimmt unter allen Gerüchen mit steigender Intensität zu, signifikante Unterschiede zwischen niedriger Geruchsintensität und höherer Geruchsintensität wurden für Vi/Ti unter H2S (T=-2.32,
p< 0.05) und für MV unter Pentylacetat (t=-2.54, p<0.05) gefunden.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 170 -
Da der schwächere Geruch so gewählt wurde, dass er für jede Person die
bei ihr vorher ermittelte Geruchsschwelle darstellt – und damit nur gerade
knapp wahrnehmbar war -, wurde explorativ nur die Bedingungen mit stärkerem Geruch in die Berechnungen mit einbezogen. Ferner wurde der between-Faktor Geschlecht weggelassen, da nur Interaktionen mit dem Geschlecht signifikant wurden. Damit ging der within-Faktor Intensität verloren.
Wie aus Tabelle 28 (nur GS2) ersichtlich, wurde der Einfluss des Geruches
in Ti und RR signifikant.
Es zeigt sich also deutlich, dass der Geruch einen Einfluss auf Ti ausübt,
gemittelt über die zwei Minuten, in denen der Geruch anwesend war. Um
den Einfluss zu verdeutlichen ist in Abbildung 30 Ti als Box-Plot für die verschiedenen Gerüche sowie für Ruhe und mentale Arbeit dargestellt. Es zeigt
sich, dass Ti unabhängig von der mentalen Arbeit bei Menthol und Ammoniak (Geruch 2 und 4) kürzer ist als bei den Gerüchen Pentylacetat und
Schwefelwasserstoff. Die Frequenz (RR) verhält sich gleich wie Ti und wurde, da keine Varianzgleichheit besteht, nicht aufgezeichnet. Um das Verhalten von Ti unter NH3 und Menthon zu überprüfen wurden diese beiden Gerüche separat einer Varianzanalyse unterzogen. Der Effekt der Geruchsintensität auf Ti wird bei NH3 signifikant (F 4.26, p = 0.048), nicht aber bei
Menthon.
Verschiedene Interaktion wurden festgestellt, wie in Tabelle 28 ersichtlich.
Nur die Interaktion zwischen Kognition und Geschlecht in der Variable %RC
ist erster Ordnung und weist darauf hin, dass unter der mentalen Arbeit die
Männer stärker mit dem Zwerchfell atmeten, die Frauen aber nicht.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 171 -
2.0
1.9
1.8
1.7
Ti (s)
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
1
1
1
1
2
2
2
2
13 I23 I33 I43 I13 I23 I33 I43
TI
T
T
T
T
T
T
T
Rest
mental Task
Abbildung 30:Ti dargestellt als Box-Plot aufgetrennt in Gerüche und Bedingungen,
wobei nur Ruhe mit stärkerem Geruch und mentale Aufgabe mit stärkerem Geruch
dargestellt sind. Die Geruchsreihenfolge ist 1=Pentylacetat, 2= Menthone, 3= H2S, 4=
NH3
Der Einfluss der mentalen Arbeit konnte in allen Atemparametern hoch signifikant nachgewiesen werden. Der Einfluss des Geruches ist weniger ausgeprägt und nur in der Einatmungszeit (Ti) zuverlässig ersichtlich. Es zeigt
sich, dass bei NH3-Exposition abhängig von der Geruchsintensität schneller
eingeatmet wird.
7.3.2.2 Auswertung über 5 Atemzüge vor und nach Geruchsstimulus
Da kurz nach dem Geruchsstimulus eine Geruchsantwort optisch sichtbar
wurde, gingen wir zurück zu den Rohdaten und analysierten die Phasen ohne Geruch sowie die Phasen mit dem stärkeren Geruch wie folgt:
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 172 -
Geruch
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
6
5
4
3
2
1
2
3
4
5
6
144424443
1444424443
Median
Median
Der Median des 2. – 6. Atemzuges nach dem Geruch wurde in % des Medians des 6. –2. Atemzuges vor dem Geruch ausgedrückt. Mit dem WilcoxonTest wurde geprüft, ob ein Unterschied zwischen den Phasen ohne Geruch
und den Phasen mit Geruch besteht (Tabelle 29). Untersucht wurden die
Atemparameter Ti und Vi/Ti (Drive).
Geruch
Ti/Vi (Drive)
7.3.2.3 Ti
R2
M2
R2
M2
Pentylacetat
RO
MO
ns
--
-ns
ns
--
-ns
Menthon
RO
MO
ns
--
-ns
ns
--
-ns
H2S
RO
MO
Z= -1.49, p=0.13 --Z=-2.8, p=0.005
Z=-1.57, p=0.06
--
-Z=-1.98,p=0.01
NH3
RO
MO
Z=-2.19,p=0.02
--
-Z=-1.73,p=0.08
Z=-2.35,p=0.019 --
-Z=-2.59,p=0.01
Tabelle 29: Resultate des Wilcoxon-Tests über Drive und Ti nach Geruch in % vor
Geruch. ns = p>0.5
Die Atmung veränderte sich gerade nach dem Geruchsreiz nur unter NH3
und H2S und nur unter der höheren Geruchsintensität. Bei den beiden Gerüchen Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S) zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Phasen ohne Geruch (RO, MO) und den
Phasen mit dem stärkeren Geruch (R2 und M2). Wie die Box-PlotDarstellung (Abbildung 31) illustriert, ist der Drive nach dem Geruch kleiner
und das Ti ist verlängert.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 173 -
150
150
REST
MENTAL TASK
REST
MENTAL TASK
130
130
%
110
110
90
90
70
70
50
50
without
2xOTh without
2xOTh
without
Pentylacetat
2xOTh
without
2xOTh
Menthon
150
150
130
130
110
% 110
90
90
70
70
50
50
without
2xOTh without
H2S
2xOTh
without
2xOTh
without
2xOTh
NH3
Abbildung 31: Box-Plot von Vi/Ti nach Stimulus in % vor Stimulus für die 4 Gerüche.
Ein genauer Blick in die Daten unter mentaler Arbeit (M-Phasen) und den
Gerüchen H2S und NH3 zeigte, dass wenn kein H2S Geruchsreiz gegeben
wurde von 12 Versuchspersonen (VP), 4 (VP) eine Abnahme (↓) und 8 VP
eine Zunahme (↑), davon 1 Person > 12% in Vi/Ti aufwiesen, bei schwachem H2S Geruch: 8 VP↓, davon 4 VP > 12% in Vi/Ti, stärkere H2S Geruch:
11↓, davon 7 > 12% in Vi/Ti. Kein NH3 Reiz: 6 VP ↓, 6 Vp ↑ in Vi/Ti, schwaI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 174 -
cher NH3 Geruch: 4↑, 8↓, davon 6> 12%, stärkerer NH3 Geruch: 11↓, davon 8 > 12% in Vi/Ti.
Um zu testen, ob bei den Atemantworten auf den Stimulus wirklich ein Unterschied zwischen den verschiedenen Gerüchen besteht, wurde die Veränderung des Drives ((Drive nach keinem Geruch in % vor keinem Geruch
(RO, MO)) minus (Drive nach Geruch in % vor Geruch (R2, M2)) für jeden
Geruch mittels GLM mit dem within-Faktor Geruch und dem between-Faktor
Sex analysiert, wobei der Geruchseinfluss (F = 6.049, p = 0.002) hochsignifikant wird. Abbildung 32 zeigt die Veränderung von Vi/Ti für die verschiedenen Gerüche.
(% Vi/Ti without odor) - (% Vi/Ti with odor)
50
40
30
20
10
0
-1 0
-2 0
1
2
3
4
O dor
Abbildung 32: zeigt als Box-Plot die, wie oben beschrieben, errechneten Differenzen
in Vi/Ti während der mentalen Arbeit für die verschiedenen Gerüche. 1 = Pentylacetat,
2= Menthon, 3 = H2S, 4 = NH3, wobei H2S und NH3 beide signifikant unterschiedlich
sind von Menthon und Pentylacetat.
Es zeigt sich also, dass bei der kurzzeitigen Geruchsantwort ein deutlicher
Unterschied zwischen den Gerüchen Pentylacetat und Menthone einerseits
und Schwefelwasserstoff und Ammoniak andererseits besteht.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 175 -
7.3.3 Performance
7.3.3.1 Parameter und ihre Bedeutung:
Wie im Methodikteil beschrieben, besteht der Multitest aus drei Aufgaben.
Die primäre Aufgabe ist das Tracking des umherschwirrenden Punktes mittels eines Stiftes. Die Variable aus dem Tracking ist der Abstand vom Cursor
zur Mitte des Punktes, genannt TT. Die zweite Aufgabe ist der zentrale Memory Test, wobei immer dann eine Taste zu drücken ist, wenn rot/blau/grün
als Sequenz (Reihenfolge der Farben ist nicht zu berücksichtigen) in der Mitte des Bildschirmes aufgeflackert ist. Die Variablen aus dem zentralen Memory-Test sind Reaktionszeit (KRE), % richtiger Tastendrücke per Zielvorgabe in % (KRIZI), Anzahl richtig pro Tastendruck (KRITA). In der dritten
Aufgabe geht es um die periphere Aufmerksamkeit; man muss eine Taste
drücken, wenn in irgendeiner Ecke ein Kreislein sich dreht. Die daraus resultierenden Variablen sind: Reaktionszeit (PRE), % richtiger Tastendruck pro
Zielvorgabe (PRIZI) sowie Anzahl richtig pro Tastendruck (PRITA). Mittelwerte siehe Tabelle 30.
Variable
Geruch
Mo
M1
M2
Pentac
Menthon
H2S
NH3
10.7 (2.8)
10.0 (2.3)
10.6 (2.6)
10.5 (2.6)
10.5 (2.8)
9.8 (2.9)
10.9 (2.3)
10.6 (2.4)
10.3 (2.1)
10.3 (2.4)
10.7 (2.9)
10.6 (2.6)
KRE
Pentac
Menthon
H2S
NH3
639 (126)
664 (137)
650 (141)
665 (121)
641 (73)
631 (203)
608 (95)
666 (160)
665 (104)
623 (217)
643 (116)
668 (146)
KRIZI
Pentac
Menthon
H2S
NH3
58.9 (22.3)
66.3 (23.2)
63.0 (18.0)
65.1 (16.8)
61.1 (19.8)
67.1 (17.6)
61.5 (15.1)
62.5 (18.1)
58.9 (16.8)
65.5 (21.1)
54.5 (20.4)
53.3 (17.5)
PRE
Pentac
Menthon
H2S
NH3
602 (64)
591 (62)
580 (69)
571 (62)
596 (59)
590 (56)
587 (64)
582 (54)
583 (57)
605 (75)
581 (62)
612 (62)
PRIZI
Pentac
Menthon
H2S
NH3
84.8 (10.1)
91.5 (6.8)
91.3 (9.2)
92.5 (8.1)
88.3 (6.8)
92.9 (7.0)
89.2 (11.4)
93.3 (9.0)
87.7 (8.8)
91.1 (6.7)
89.2 (9.2)
91.2 (11.0)
TT
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wiss. Arbeit
- 176 -
Tabelle 30: Mittelwerte und Standardabweichungen der wichtigsten Performance Parameter (KR = Anzahl Richtige im Gedächtnistest, nicht korrigiert für Zielvorgaben)
Sex als between-Faktor und Geruch und Geruchsintensität als withinFaktoren wurden in die Varianzanalyse aufgenommen und zuerst über alle
Phasen getestet. Zweitens wurde der Einfluss nur über die Phasen mit Gerüchen und drittens nur mit stärkerem Geruch ausgewertet. In der Tabelle 31
sind nur jene Variablen aufgeführt, die Signifikanzen erzielten. Wie ersichtlich, wird bei der Variablen KRIZI (Anzahl richtige Antworten pro geforderte
Antworten im zentralen Gedächtnistest), der Geruch, die Geruchsintensität
sowie die Interaktion zwischen Geschlecht und Intensität signifikant. In der
Reaktionszeit des peripheren Aufmerksamkeitstests (PRE) wird die Interaktion Geruch/Intensität signifikant, wenn nur über die stärkeren Gerüche analysiert, wird der Geruch signifikant.
Variable
Geruch
f(3/24)
KRIZI
KRIZI
KRIZI
(0 excl.)
(nur G2)
2.35
3.45
2.25
(0 excl.)
(nur G2)
1.06
2.35
3.65
PRE
PRE
PRE
G*S
f(3/24)
Intensität
I*S
G*I
0.095
0.032
0.10
2.40
0.93
0.24
0.09
0.46
0.86
7.16(2/16) 0.005
7.85(1/8) 0.023
--
6.64(2/16) 0.007
12.1(1/8) 0.007
--
0.5(6/48)
1.02(3/24)
--
0.38
0.098
0.027
0.83
0.77
1.23
0.49
0.51
0.32
1.10(2/16)
0.5 (1/8)
--
1.41(2/16)
0.74(1/8)
--
2.47(6/48) 0.037
3.074(3/24)0.047
--
0.35
--
0.27
---
0.80
0.40
Tabelle 31: GLM mit Performance Variabeln als Abhängige, Geruch und Intensität als
within Faktor und Sex als Between-Faktor, (O excl) = RO und MO ausgeschlossen,
(nur G2) = nur über die Phasen mit stärkerem Geruch. I*S = Interaktion Intensität/Sex,
G*S = Interaktion Geruch/Sex.
Die Anzahl richtige Antworten im peripheren Aufmerksamkeitstest wird durch
die Gerüche jedoch nicht beeinflusst. Im zentralen Gedächtnistest zeigt die
Reaktionszeit (KRE, nicht aufgeführt) keinen Einfluss der Gerüche. Das bedeutet, dass beim peripheren Reaktionstest die Reaktionszeit beeinflusst
wird, das Resultat aber aufrechterhalten bleibt. Beim zentralen Gedächtnistest jedoch leidet die Aufgabe (KRIZI) nicht jedoch die Reaktionszeit (KRE),
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 177 -
das bedeutet, dass der Einfluss der Gerüche sich nicht auf die Reaktionszeit
auswirkt, wohl aber die Wahrnehmung der Farb-Sequenz beeinflusst.
Abbildung 35 zeigt die Anzahl richtiger Antworten pro geforderte Antworten
im Gedächtnistest (KRIZI). Die Lösung der Aufgaben im mentalen Test verschlechtert sich, wenn H2S oder NH3 eingeatmet wird. Dies ist besonders
ausgeprägt unter NH3, die beiden angenehmen Gerüche verursachen keine
Verschlechterung. Dies wurde mit dem Kontrast 1, 1, -1, -1 geprüft (f=10.89,
p = 0.009). Die unangenehmen Gerüche verschlechtern die Leistung im Gedächtnistest.
In Abbildung 36 ist die Reaktionszeit (PRE) im peripheren Aufmerksamkeitstest dargestellt. Die Reaktionszeit wird unter NH3 verlangsamt und nimmt
unter Pentylacetat ab. Unter Menthon und H2S bleibt die Reaktionszeit ungefähr gleich. Dies wurde mittels der Kontrastmatrix (–1, 0, 0, 1, f = 5.776, p
= 0.028) als richtig befunden. Es ist zu vermerken, dass die Abnahme der
Reaktionszeit zwischen geruchsfreier Phase und Phase mit stärkerem Geruch beim Pentylacetat (t = 1.33) nicht signifikant verschieden ist, bei NH3
hingegen besteht ein signifikanter Unterschied (t = - 3.164, p<0.01).
Auf den Trackingtest hatten die Gerüche keine Auswirkung. Die Auswirkungen der Gerüche auf den zentralen Gedächtnistest und auf den peripheren
Aufmerksamkeits-Test waren verschiedenartig, indem beim Gedächtnistest
die Anzahl richtiger Antworten betroffen waren, also das Resultat, beim peripheren Aufmerksamkeitstest hingegen die Schnelligkeit der Reaktion beeinflusst wurde.
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wiss. Arbeit
- 178 -
110
Pent
Ment
H2S
NH3
%
100
90
80
Odor Intensity
1 x Odor-Thresh
2 x Odor-Thresh
Abbildung 33: Anzahl richtige Antworten pro Zielvorgabe im Gedächtnistest in Abhängigkeit der Gerüche, ausgedrückt als % der geruchsfreien Phase
108
Pent
106
Ment
H2S
104
NH3
102
%
100
98
96
94
1
Baseline
2
1 x Odor Thresh.
3
2 x Odor Thresh
Abbildung 34: Reaktionszeit im peripheren Aufmerksamkeitstest in Abhängigkeit der Gerüche ausgedrückt in % der geruchsfreien Phase.
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Danuser
- 179 -
7.3.4 Subjektive Einschätzung
Nach jeder Phase, sei es Ruhe oder mentale Arbeit, wurde von den Versuchspersonen ein grafisches Differenzial ausgefüllt, bei dem sie angeben
mussten, wie angenehm/ unangenehm, erregend/ nicht erregend und dominierend/ nicht dominierend sie sich fühlen. In Tabelle 32 sind die Mittelwerte
und Standardabweichungen aufgeführt, aufgeteilt nach Gerüchen und Bedingungen.
Geruch
Bedingung
Valenz
Mean
SD
Erregung (Arousal)
Mean
SD
Dominanz
Mean
SD
Pentylacetat RO
R1
R2
MO
M1
M2
2.33
2.29
2.20
2.50
2.45
2.16
0.77
0.75
0.72
0.52
0.94
0.93
4.79
4.66
4.54
3.95
3.95
4.16
0.39
0.65
0.65
0.96
1.13
0.80
3.0
2.95
3.12
3.33
3.33
3.08
1.14
1.01
0.80
0.61
0.68
1.08
Menthon
RO
R1
R2
MO
M1
M2
2.33
2.50
2.20
2.16
2.29
2.41
0.87
0.52
0.83
0.91
0.62
0.90
4.58
4.58
4.62
3.77
3.75
3.75
0.66
0.55
0.48
0.85
1.13
1.21
2.87
3.00
3.12
3.33
3.41
3.33
0.74
0.63
0.74
0.65
0.66
0.65
H2S
RO
R1
R2
MO
M1
M2
2.68
2.37
2.70
2.5
2.45
2.95
0.64
0.67
0.75
0.70
0.94
0.68
4.58
4.25
4.58
4.25
4.0
4.0
0.54
0.94
0.51
0.86
1.02
1.10
2.97
3.08
2.95
3.16
3.37
3.08
0.86
0.90
0.89
0.74
0.64
0.70
NH3
RO
R1
R2
MO
M1
M2
2.41
2.45
2.37
2.41
2.41
2.87
0.67
0.62
0.93
0.97
0.63
0.93
4.58
4.62
4.54
4.25
4.29
4.08
0.76
0.60
0.78
0.83
0.78
1.14
2.95
2.95
2.66
3.25
3.37
3.12
0.86
0.86
1.09
0.65
0.52
0.64
Tabelle 32: Mittelwerte der subjektiven Einschätzung der Valenz, Erregung und Dominanz aufgetrennt nach Gerüchen und Phasen.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 180 -
Variable
Geruch
f(3/30)
Valenz
Valenz
Arousal
Arousal
Dominanz
Dominanz
ohne Oer
nur G2
ohne Oer
nur G2
ohne Oer
nur G2
3.66
3.76
1.04
0.33
1.50
0.95
p
0.028
0.02
0.38
0.80
0.24
0.34
Kognition
K*S
f(1/19)
f(1/10)
0.24
0.22
7.21
5,80
7.74
0.0
p
0.17
0.70
0.023
0.037
0.019
--
2.14
0.00
0.02
0.02
7.75
0.10
G*K
p
f(3/30)
0.15
-0.88
0.89
0.019
0.76
1.42
1.92
2.95
1.78
1.88
1.76
GKS
p
0.25
0.14
0.049
0.17
0.16
0.18
f(3/30)
0.96
1.07
0.39
1.47
1.08
5.45
p
0.40
0.37
0.76
0.23
0.37
0.004
Tabelle 33: Einfluss von Geruch (G), Intensität (I) und Kognition (K) als within Faktor
und Sex als between-Faktor, p = Huyn-Feldt. (nur Variabeln und Interaktionen aufgelistet, wo mindestens eine Signifikanz gefunden wurde)
Es zeigt sich, dass der Geruch einen Einfluss ausübt auf die subjektive Einschätzung, wie angenehm/unangenehm die Situation empfunden wurde.
Anders bei der Erregung: Hier wird der Einfluss der Kognition sowie der Interaktion Geruch/Kognition deutlich. Die Kognition und die Interaktion Kognition/Geschlecht ist bei der Variable Dominanz signifikant. Wenn einzig die
stärkeren Gerüche analysiert werden, erreicht nur die Interaktion Geruch/Kognition/Geschlecht Signifikanz. Unter mentaler Arbeit wird eine Situation als dominierender, kontrollierender eingeschätzt als unter Ruhe; dies
5
5
4
4
4
3
Dominance
5
Arousal
Valence
kam bei den Frauen viel deutlicher zum Ausdruck (Tabelle 33).
3
2
2
2
1
1
3
31 32 31 32 31 32 31 32
V1 V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4
3 1 32 3 1 32 3 1 32 3 1 32
E1 E1 E2 E2 E3 E3 E4 E4
Gerüche und Bedingungen
Gerüche und Bedingungen
1
31 32 31 32 31 32 31 32
D1 D1 D2 D2 D3 D3 D4 D4
Gerüche und Bedingungen
Abbildung 35: Mittelwerte von Valenz, Arousal und Dominanz aufgetrennt nach Gerüchen
und Bedingungen. hell schraffiert = mentale Aufgabe, dunkel schraffiert = Ruhe. Immer Balken 1,2 = Pentylacetat, 3,4 = Menthon, 5,6 = H2S, 7,8 = NH3
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 181 -
Die Valenz (1 = sehr angenehm, 5 = sehr unangenehm) ist tiefer, das heisst
die Bedingung wurde bei den Gerüchen Pentylacetat und Menthon als angenehmer, bei den Gerüchen H2S (unter Ruhebedingung vergl. mit Pentylacetat t=-2.45, p<0.05, unter mentaler Arbeit mit Pentylacetat t = -2.455,
p<0.05, mit Menthol t=2.27, p<0.05) und NH3 (nicht signifikant) als unangenehmer empfunden. Die Erregung (Arousal 1 = sehr erregend, 5 = langweilig) ist insgesamt wenig ausgeprägt und eher bei wenig erregend angesiedelt, die Bedingungen mit mentaler Arbeit jedoch werden klar als erregender
empfunden. Speziell unter Pentylacetat (t=2.545, p<0.05) und Menthol
(t=3.169,p<0.01) wird die Auswirkung der mentalen Arbeit auf das Arousal
signifikant. Der Dominanz-Parameter differenziert optisch weniger eindeutig.
7.4 Diskussion
Diese Studie ergab folgende Hauptresultate:
1. Die Geruchsexposition während mentaler Arbeit beeinträchtigte die Leistung der Probanden.
2. Die Geruchsexposition beeinflusste die Atmung in zweifacher Hinsicht:
Unter NH3, das v.a. über den N. Trigeminus wahrgenommen wird, verkürzte sich über die zweiminütige Exposition die Einatmungszeit (Ti) im
Mittel. Die unangenehmen Gerüche H2S und NH3 lösten zudem eine
kurze Atemdepression aus (Ti ↓, Vi/Ti ↓), was bei den hedonistisch positiv bewerteten Gerüchen Pentylacetat und Menthol nicht der Fall war.
3. Die mentale Leistung im Farbsequenz-Kurzzeit-Gedächtnis-Test nahm
unter Exposition zu H2S und NH3 ab, diese Gerüche lösten auch eine
Orientierungsreaktion aus. Zusätzlich wurde unter NH3 die Reaktionszeit
der Peripheren Reaktionsaufgabe verlängert. Die Primäraufgabe konnte
aufrechterhalten werden.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 182 -
Die erste Schlussfolgerung dieser Studie lautet also, dass übelriechende
Gerüche während einer mentalen Aufgabe die Leistung der Probanden im
Gedächtnistest beeinträchtigten, nichtsdestotrotz konnten die Versuchspersonen ihre primäre Aufgabe dabei aufrechterhalten. Zusätzlich wurde
unter NH3 die Reaktionszeit bei der Reaktionsaufgabe verlängert. Jedoch
hatten weder Pentylacetat noch Menthol einen Einfluss auf die mentale Leistung.
Die übelriechenden chemischen Reize lösten eine kurzzeitige Abnahme von
Vi/Ti aus, bedingt v.a. durch eine Verlängerung von Ti. Vi/Ti ist gemäss
Milic-Emili et al. (1981) als zentraler Einatmungsdrive des Atmungszentrum
im Hirnstamm zu verstehen. Jede Zunahme oder Abnahme des zentralen
Drives sollte sich in einer Zu- oder Abnahme in Vi/Ti äussern. Eine Abnahme
von Vi/Ti bedeutet eine Atemdepression und wird hier zusammen mit der
zeitlichen Abfolge – schnell einsetzend, schnell normalisierend - als Atmungskorrelat
des
Orientierungsreflexes
verstanden.
Orientierungs-
reaktionen werden meistens mittels der Abnahme der Herzrate beschrieben.
Die Atmungskomponente der Orientierungsreaktion wurde von Porges und
Raskin (1969) als eine Reduktion der RR und einer Verkleinerung der Atmungsamplitude beschrieben. Eine Verlängerung von Ti führt üblicherweise
zur Reduktion der RR und die Atmungsamplitude wird hier durch Vi ausgedrückt, was insgesamt eine Abnahme von Vi/Ti ergibt, wie in dieser Studie
gefunden. Die gefundene Verlängerung der Einatmungszeit ist intuitiv verständlich für Gerüche, eine Sinnesmodalität die stark von der Einatmung
abhängt. Die Verlängerung der Einatmungszeit verlängert in einer direkten
Form die Zeitdauer der Reiz Präsentation und erleichtert dadurch die Wahrnehmung. Der Luftfluss ist gewöhnlich in einem Nasenloch höher als im anderen. Sobel et al (2000) demonstrierte, dass wenn Versuchspersonen Gerüche mit dem schlechteren Nasenloch (tieferer Luftfluss) entdecken mussten, sie länger einatmeten. Teghtsoonian und Theghtsoonian (1982, 1984)
meinen, dass der Mensch die Information über die Stärke und Länge der
Einatmung mit der Geruchswahrnehmung kombiniert zur Abschätzung der
Geruchsintensität. Durch den Einsatz bildgebender funktioneller Verfahren
konnte Sobel et al (1998) zeigen, dass beide, die somatosensorische StimuI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 183 -
lation durch den Luftfluss, wie auch die Geruchs-Stimulation primäre olfaktorischen Regionen des ventralen Temporallappens aktivierten. Die gefundene
Verlängerung von Ti passt daher gut in das Konzept von Sokolov’s (1963)
und Lacey’s (1967), dass der Orientierungsreflex dazu dient die Wahrnehmungsschwelle herunterzusetzen, erkärt aber nicht warum nur die übelriechenden Gerüche eine Orientierungsantwort auslösten. Übereinstimmend
mit unserer Hypothese war die Induktion der Orientierungsantwort abhängig
von der emotionalen Valenz des Geruchsreizes. Ein Einfluss der Gerüche
auf die Valenzeinschätzung konnte nachgewiesen werden, was bedeutet,
dass eine Aktivierung des limbischen Systemes stattgefunden hat. Die Valenz-Beurteilung zeigt, dass die Gerüche hedonistisch verschieden wahrgenommen wurden und zwar in der erwarteten Richtung: Pentylacetat und
Menthon als angenehmer, H2S und NH3 als unangenehmer. Engen (1982)
bemerkte, dass v.a. die unangenehmen Gerüche bewusst wahrgenommen
werden. Es ist bekannt, dass Gerüche starke Orientierungsauslöser sind
(Winneke 1992) und die Stärke der indizierten physiologischen Antwort
hängt, jedenfalls teilweise, von der Hedonik des Geruches ab: Angenehme
Gerüche induzieren niedrigere Antworten als unangenehme (Kobal et al
1991, Brauchli et al 1995, Vernet-Maury et al 1995). Ehrlichman et al (1995,
1997) wie auch Miltner et al (1994) lösten akustisch Schreckreaktionen
(Startle) aus während die Versuchspersonen angenehme oder unangenehme Gerüche erschnüffelte. Die Amplitude der Schreckantwort war grösser,
wenn die Verscuhspersonen einen unangenehmen Geruch rochen als wenn
sie keinen oder einen positiven Geruch rochen. Dieselbe SchreckreaktionsVerstärkung wurde verschiedentlich für unangenehme Bilder nachgewiesen
(Lang et al 1990, Bradley et al 1993, Hamm und Vaitl 1993).
In unserer Untersuchung wussten die Versuchspersonen, dass sie Gerüchen ausgesetzt werden würden und sie kannten die Gerüche - von der Bestimmung der Geruchsschwellen her -, wenn auch nicht mit Namen. Zudem
handelte es sich dabei um Gerüche, die im täglichen Leben vorkommen.
Gerüche können starke Reaktionen in Hirnstrukturen wie dem Hypothalamus
und dem limbischen System (Aggelton und Mishkin 1986) hervorrufen und
werden v.a. mit Gedächtnis und Gefühlen assoziiert. Es ist deshalb mit einiI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 184 -
ger Sicherheit anzunehmen, dass unsere Versuchpersonen neuronale Repräsentationen der 4 Geruchsreize aufgebaut oder reaktiviert hatten. Es wird
daher angenommen, dass die individuelle neuronale Reiz Repräsentation
die Wichtigkeit (Signifikanz) des Geruches bestimmte und damit auch den
Effekt auf die mentale Leistung. Wir schliessen, dass unangenehme Geruchsreize von moderater Intensität eine emotionale Bedeutung haben und
fähig sind eine Orientierungsreaktion auszulösen. Unsere Daten unterstüzten die Hypothese, dass ein gewisser Grad von Reiz Signifikanz notwendig
ist für das Orientieren (Bernstein 1979).
Unser Versuchsdesign weist am meisten Ähnlichkeiten mit dem Versuchsdesign von Knasko et al (1993) auf, die ebenfalls kurze intermittierende ‚Geruchs-Bursts’, die eine Minute dauerten, verabreichten, aber keinen Einfluss
auf die Leistung nachweisen konnten. Einerseits dauerten die verschiedenen mentalen Aufgaben 15 Minuten und die Leistung wurde über diese 15
Minuten erfasst, es wurden pro Aufgabe aber nur 2 ‚Geruchs-Bursts’ gegeben. Eventuelle kurzfristige Leistungsabnahmen könnten in diesem Design
untergegangen sein. Andererseits waren die Geruchsreize unbekannt, dadurch konnte keine vorgängige Aktivierung von neuronalen Reiz Repräsentationen stattfinden und die Versuchspersonen reagierten gleich auf die
positiven und negativen Gerüche. Zusätzlich wurde von Knasko et al (1993)
ein between-subjekt-design verwendet und hier wurde ein within-subjectdesign angewandt.
Unter der NH3 Exposition verschlechterte sich die Leistung am meisten und
zusätzlich wurde die Reaktionszeit in der peripheren Reaktionsaufgabe verlängert. Die Anzahl der richtigen Reaktionen in Prozent der vorgegebenen
Stimuli wurde nicht beeinflusst. Daher könnte eine Zunahme der Reaktionszeit als unbedeutend abgetan werden. Eine Zunahme der Reaktionszeit
beim Autofahren, wenn ein Kind von der Seite auf die Strasse rennt, kann
fatal sein. Die durch H2S und NH3 ausgelöste Orientierungsantwort sind von
gleichem Ausmass aber unter NH3 nahm im Mittel die Inhalationsdauer (Ti)
in einer Intensitäts abhängigen Form ab. Die Abnahme von Ti unter NH3
über 2 Minuten – und dies obwohl unter NH3 eine deutliche kurzfristige Zunahme von Ti unmittelbar nach dem Beginn des Geruchsreizes festzustellen
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 185 -
war - deutet darauf hin, dass NH3 nicht nur eine Orientierungsantwort, sondern eine längerfristige generelle Aktivierung auslöste. Vi/Ti war nicht speziell erhöht unter NH3, was bedeutet, dass Vi ebenfalls abnahm (gerade
nicht signifikant). Unter NH3 Exposition zeigten die Versuchspersonen ein
Atemmuster, dass am besten mit schnellem oberflächlichem Atmen (rapid
shallow breathing) beschrieben wird. Gemäss Boiten et al (1994) ist schnelles oberflächliches Atmen assoziiert mit angespannter Erwartung, oder mit
Kontrolle über eine Neigung zu handeln. NH3 aktiviert viel stärker trigeminale Rezeptoren als H2S (Doty 1995). Aktivierung von trigeminalen Rezeptoren führt zu stechenden, brennenden, beissenden oder kühlenden Sensationen. Solche Sensationen implizieren Leid oder eine Drohung für die Gesundheit und könnte uns in einen Alarmzustand versetzten. Walker et al
(2001) zeigte in einer Olfaktometer Studie mit Propionsäure, dass Ti erst mit
Konzentrationen abnahm, die auch Nasenreizungen auslösten. Wenn unsere Versuchspersonen unter Nasenreizungen gelitten hätten, sollte dies in der
Valenzeinschätzung zutage treten, die Valenzeinschätzung ist aber negativer für H2S. Das menschliche trigeminale System scheint aber weniger
empfindlich zu sein als das olfaktorische System für tiefe Konzentrationen,
wie sie hier verwendet wurden. Die Wahrnehmungsschwelle von Personen
ohne olfaktorisches System (anosmotische Personen) für starke trigeminale
Rezeptor aktivierende Substanzen liegt bedeutend höher als von normalen
Personen (Doty 1975, Walker und Jennings 1991). Wie schon oben argumentiert wiesen unsere Versuchsperonen eine neuronale Representation
der Geruchsreize auf. Die NH3 Representation könnte die potentielle Drohung der Irritation mitbeinhalten und induzierte daher das schnelle
oberflächliche Atmen. Degel und Köster (1999) fanden, dass in einem Raum
mit Lavendel (beruhigend) Duft weniger Fehler, in einem Raum mit Jasmin
(stimulierend) Duft mehr Fehler bei kongitiven Aufgaben gemacht wurden.
Die Autoren interpetieren ihren Befund mit der Yerkes-Dodson-Regel (1908).
Die Yerkes-Dodson Regel besagt, dass wenn die Erregung (arousal) ein
Optimum über- oder unterschreitet die Leistung abnimmt.
Mit dem hier gebrauchten Untersuchungsdesign war es nicht möglich zu unterscheiden ob die Verschlechterung in der Gedächtnissaufgabe auf die
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wiss. Arbeit
- 186 -
Dauer der Orientierungsreaktion beschränkt und die zusätzliche Verlängerung der Reaktionszeit unter NH3 über die gesamte Expositionszeit
vorhanden war. Aber die Untersuchung zeigt deutlich, dass mit neuen Reizen, welche für eine Zeitdauer bestehen bleiben, das Ablenkungs- wie auch
das Erregungskonzept in Betracht zu ziehen sind.
Die verwendete Aufgabe, der Multitest stellt eine komplexe Aufgabe dar,
bestehend aus drei Aufgabenkomponenten. Dies führt zur Frage warum die
Leistungsabnahme vor allem die Gedächtnissaufgabe betraf. Posner (1980)
experimentierte mit verschiedenen räumlichen Positionen von Objekten oder
Hinweisen und fand, dass periphere Objekte nicht ignoriert werden konnten,
wohingegen zentrale Hinweise, die zusätzlich eine weitere mentale Verarbeitung forderten, ignoriert werden konnten. Der quantitative Effizienz Score
(richtige Antworten in % von vorgegebenen Antwortstimuli) der Gedächtnissaufgabe wurde betroffen, nicht aber die Reaktionszeit oder der qualitative
Effizienz Score (Anzahl richtiger Antworten in % der gegebenen Antworten).
Während der Exposition zu den übelriechenden Gerüchen wurden weniger
Antworten gegeben, das bedeutet, die Farbsequenzen wurden einfach ignoriert. Die peripheren Signale wurden in Übereinstimmung mit Posner (1980)
wahrgenommen, selbst unter NH3, die zentralen Hinweise aber nicht. Eine
mögliche Erklärung ist, dass die komplexe Aufgabe unter den übelriechenden Gerüchen redefiniert wurde; indem das Tracking als primär und die Gedächtnissaufgabe als sekundär eingestuft wurde. Die Aufrechterhaltung der
als primär eingestuften Aufgabe wurde unter Lärm, Schockdrohung, und anderer Umwelt Bedingungen gefunden (Baddeley 1972, Broadbent 1971, Hockey 1970, 1979). Das Tracking wurde nicht als Haupt oder Primäraufgabe
eingeführt, alle Komponenten der Aufgabe wurden vom Experimentator als
gleichwertig behandelt und die Aufgabe wurde als Ganzes eingeübt. Das
kontinuierliche Adjustieren des Cursors zum sich bewegenden Objekt auf
dem Bildschirm verlangt kontinuierliche Aufmerksamkeit und Kontrolle des
Effektors (Hand). Dies macht eine Einschätzung des Trackings als primär
plausibel.
Eine andere Erklärungsmöglichkeit ist, dass die Gedächtnissaufgabe und die
Gerüche auf dieselbe kongitive Ressource zurückgreifen (Interferenz). Lorig
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Danuser
- 187 -
(1998) argumentiert, dass Gerüche ‚zeitliche Gemische’ darstellen: Um olfaktorische Signale zu interpretieren, muss das zentrale Nervensystem neurale Codes über eine gewisse Zeitdauer akkumulieren. Daselbe gilt für die
Farbsequenz Aufgabe; man muss die letzten zwei Farben ‚im Kopf’ behalten
um zu entscheiden ob mit der neuen Farbe die Sequenzbedingungen erfüllt
sind. Dies könnte zu der gefundenen Interferenz führen.
Ein Zurücknehmen der Aufmerksamkeit bei Mehrfachaufgaben betrifft häufig
das Arbeitsgedächtnis oder induziert eine Verlagerung auf einen weniger
Ressourcen gebrauchenden Kontrollmodus (Hockey 1997). Aufgaben, die
das Arbeitsgedächtnis brauchen, werden generell als Störungs-empfindlich
angeschaut, werden sie aber als Primäraufgabe wahrgenommen werden sie
aufrechterhalten in der Form, dass neue Arbeitsweisen eingeführt werden.
Diese Untersuchung zeigt, dass unangenehme Gerüche Störfaktoren darstellen, die fähig sind, eine Orientierungsreaktion auszulösen und Aufmerksamkeit abzulenken. Ein so einfacher Störfaktor wie ein schlechter Geruch
kann eine Person von seiner Aufgabe ablenken, wenn auch wahrscheinlich
nur kurz, und verschlechtert seine Leistung. Dieser Befund schliesst wichtige
Implikationen mit ein, die zu berücksichtigen sind, insbesondere in Hinsicht
auf olfaktorische Konditionen am Arbeitsplatz, aber auch ganz allgemein in
Situationen, in denen Menschen irgendwelche Aufgaben zu lösen oder
Funktionen zu erfüllen haben. Man könnte daraus folgern, dass Arbeit, die
kontinuierlich hohe Aufmerksamkeit erfordert, an Arbeitsplätzen ausgeführt
werden sollte, die dergestalt designed, gebaut und unterhalten werden, dass
übelriechende und v.a. irritierende Gerüche nicht anzutreffen sind. Aber es
ist bedeutend wesentlicher, dass Aufgaben so gestaltet werden, dass kurze
Aufmerksamkeits Ablenkungen möglich sind und keine fatalen Konsequenzen nach sich ziehen. Die Arbeit ist so zu organisieren, dass einer wichtigen
Aufgabe die Priorität eingeräumt wird, d.h. sie darf nie an sekundärer Stelle
stehen.
Die Intensität der Wahrnehmung von Gerüchen erfolgt - gemessen nach direkten psychologischen Skalen - als Funktion der Geruchskonzentration W =
c(I-Io)n , wobei W die wahrgenommene Intensität und I die physikalische InI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 188 -
tensität (in der Regel die Konzentration) darstellt, Io die Geruchsschwelle
und n den Exponenten der Funktion. Der aufschlussreichste Parameter hier
lautet n, denn er legt fest, wie die wahrgenommene Intensität als Funktion
der Konzentration wächst. Dieser Exponent ist für jeden Geruch etwas verschieden, für die meisten Gerüche beträgt er um 0.6. (Berglund et al 1971,
Laffort und Dravnieks 1973, zit. nach Engen 1982). Die Tatsache, dass der
Exponent kleiner als 1 ist, bedeutet, dass die Zunahme der wahrgenommenen Intensität nicht mit der Zunahme der Konzentration identisch ist, sondern die Verdoppelung einer Konzentration führt zu einer Intensitätszunahme von ca. 50% (Engen 1982). Die eingesetzten Geruchskonzentrationen
sind also als niedrig zu bezeichnen; die Geruchsschwelle ist jene Konzentration, die gerade noch wahrgenommen wird und die stärkeren Gerüche haben ca. eine 1.5-fache Intensität, sind also immer noch als schwach zu bezeichnen. Auch wenn das n bei den vier verwendeten Gerüchen leicht unterschiedliche Werte darstellt, so beinhaltet die hier angewandte Methode
der individuellen Geruchsschwellen-bestimmung und die Verdoppellung der
dazu benötigten Konzentration, dass die Versuchspersonen möglichst
gleichwertigen Geruchsintensitäten ausgesetzt wurden. Wobei anzumerken
ist, dass bei der Verdoppelung der Geruchsschwelle, die wahrgenommene
Intensität der Gerüche nicht mehr absolut gleichwertig ist, dies könnte nur
mit aufwändigen Vor-Intensitäts-Bestimmungen ermöglicht werden.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 189 -
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 190 -
8 Experiment IV: Einfluss von induzierten
Emotionen
Eine Arbeitsaufgabe kann im Gesamten als Stimulus verstanden werden,
der auch eine emotionale Komponente beinhaltet. So gibt es Aufgaben, die
wir als angenehm oder z.B. als lästig bezeichnen. Nicht nur das, es gibt
auch Arbeitsaufgaben, die immanent emotionale Sets beinhalten z.B. Bildauswahl, Bildgestaltung bei Informationsmedien.
Die Begriffe ‚Emotion’ und ‚Gefühl’ sind in der Literatur nicht einheitlich definiert. Wundt (1914, S. 101) grenzt zwischen Gefühlen und Empfindungen –
als physiologische Wahrnehmung – und zwischen Gefühlen und Affekten –
als gesetzmässige Verbindungen von Gefühlen – ab. Zimmer (1984) sieht
Emotionen in ein grosses Wortumfeld eingebettet, wie Gefühl, Affekt, Leidenschaft, Instinkt, Stimmung, Laune, Motivation, in welchem keine verbindliche Abgrenzung zwischen den einzelnen Begriffen gegeben sei. Dorsch
(1992) setzt Emotionen und Gefühle gleich, was hier im weiteren ebenfalls
getan wird.
Emotionen werden immer mit physiologischen Veränderungen in Verbindung
gebracht. In der Beziehung zwischen Emotionen und physiologischen Parametern können drei Hauptmodelle unterschieden werden. Das Spezifitätsmodell besagt, dass verschiedene (spezifische) Emotionen charakterisiert
sind durch spezifische physiologische Antwort-Muster (James 1884, Levenson et al 1990). Das Dimensionsmodell nimmt an, dass physiologische Antwort-Muster mit generellen Emotionsdimensionen korrespondieren. Diese
Dimensionen sind; angenehm – unangenehm, ruhig – aufgeregt, aktiv –
passiv (Wundt 1914). Diese Dimensionstypen werden durch verschiedenen
Untersuchungen gestützt (Russel 1980), Watson und Tellegen 1985). Im
dritten, dem ‚response – requirement’ Modell wird postuliert, dass das physiologische Muster mit speziellen Antwort-Erfordernissen der gegebenen
emotionalen Situation übereinstimmt. Diese Antwort-Erfordernisse unterliegen der funktionellen Kategorie von ‚Flucht oder Kampf’ (Cannon 1929). Die
entsprechenden Dimensionen dafür sind einerseits ‚intake – rejection’ (Lacey und Lacey (1970), andererseits aktives – passives Coping (Obrist 1981).
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 191 -
Dem zweiten wie dem dritten Modell liegt die Annahme zugrunde, dass physiologische Antwortmuster in Beziehung zu emotionalen Dimensionen stehen, die über die Grenzen der einzelnen Emotionen wie Angst, Freude, Ärger, Ekel hinausgehen. Auch wenn Unterschiede zwischen dem Dimensionsmodell und dem Antwort-Erfordernis Modell bestehen, sind sie nicht inkompatibel (siehe z.B. Lang et al 1997).
Zimbardo (1992) wie auch Spada (1992) beschreiben Emotionen als ein
komplexes Muster von Reaktionen auf eine Situation, die für eine Individuum
bedeutungsvoll ist. Spada (1992) spricht von einer Reaktionstrias, die das
subjektive Erleben, das Ausdrucksverhalten und die physiologischen Veränderungen beinhaltet. Emotionen sind in dieser Umschreibung Teil eines Reaktionsmusters. Zimmer (1984) beschreibt Emotionen als erlebte, auf eine
höhere, beweglichere Stufe gerückte Instinkte. So definierte Lang (1984)
Emotionen als Handlungs-Set um später (Lang et al 1997) zu präzisieren,
Emotionen seien ‚Handlungs-Dispositionen’. In der vorliegenden Arbeit werden Emotionen gemäss Lang et al (1997) als Handlungs-Dispositionen verstanden, die eine Reaktionstrias, wie von Spada (1992) beschrieben auslösen, wobei das Ausdrucksverhalten nicht miteinbezogen wurde.
Zur Erfassung des subjektiven Erlebens wurde das dreidimensionale Modell
(Osgood et al 1971, Mehrabian und Russel 1974) herangezogen, wobei das
von Lang (1980) entwickelte grafische Beurteilungsverfahren SAM ausgewählt wurde.
Immer wieder wurden substantielle individuelle Unterschiede in bezug auf
die, sei es durch CO2, Höhe oder körperliche Tätigkeiten, ausgelöste ventilatorische Antwort berichtet (z.B. Forster et al 1982, Tobin et al 1988). Die individuelle Variabilität in der Atemantwort auf eine gegebene extrem Umgebung suggeriert, dass gewisse ‚Typen’ von Individuen existieren (Morgan
1983). So fand Saunders et al (1972) , dass je grösser die ventilatorische
Antwort auf CO2 war, desto höher war der Extraversions-Score (mit dem
Eysenck Personality Inventory (EPI) bestimmt) bei den Frauen. Wientjes et
al (1986) fanden sogar unter Ruhebedingungen Korrelationen zwischen
Persönlichkeits-Faktoren und Atmung; Extraversion korrelierte in Ruhe negativ mit der Minutenventilation und positiv mit dem CO2 Level. Eysenck
(1970) definiert den zugrundeliegenden Unterschied zwischen Intro – und
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 192 -
Extraversion als biologischen, basierend auf dem retikulären Aktivierungssystem des Gehirnes. Extravertierte und Introvertierte differieren demgemäss in der relativen Stärke der zwei gegenüberliegenden Prozesse – Excitation –Inhibition solcherweise, dass Introvertierte typischerweise einen höheren kortikalen Aktivierungszustand aufweisen. Dies führt dazu, dass Introvertierte nicht zusätzlich erregt werden wollen, sie versuchen eine Stimulation aus der Umwelt zu vermeiden, Extravertierte aber wollen stimuliert werden. Neubeck (1992) postuliert, dass Informationsaufnahme im Zusammenhang mit der Inspiration steht. Es stellt sich daher die Frage, ob der Persönlichkeitsfaktor Extraversion –Introversion einen Einfluss auf das physiologische Reaktionsmuster, insbesondere auf die Einatmungsdauer, sowie auf
die subjektive Einschätzung eines emotionalen Stimulus ausübt.
Das Anschauen von Bildern ist eine weitverbreitete menschliche Tätigkeit.
Es wurde abgeschätzt, dass Kinder wie Erwachsene zwischen 10-50% ihres
Wachseins mit dem Verarbeiten von Bildern verbringen (Reeves und Hawkins 1986). Während dem Betrachten von Bildern ist das Individuum passiv
und motorische Interferenzen sind gering. Die Reaktionstrias beim Bilder
Anschauen können also dem Wahrnehmen und der durch die Bilder hervorgerufenen motivationalen Strategie zugeschrieben werden. Das Center for
the Study of Emotion and Attention (1995) hat Bilder gesammelt und sie in
den Dimensionen Valenz, Erregung und Dominanz einschätzen lassen, um
eine Set von kalibrierten emotionalen Stimuli bereitzustellen. Für die Induktion von Emotionen wird hier auf dieses Bilderset zurückgegriffen. Mit diesen
Bild-Emotions-Stimuli konnte aufgezeigt werden, dass die Herzrate einen
moderaten Zusammenhang mit der subjektiven Valenz, die Hautleitfähigkeit
einen klaren positiven Zusammenhang mit der Erregung aufweist (Greenwald et al 1989, Lang et al 1993, Hamm und Vaitl 1993).
8.1 Aufgabestellung
Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Erfassung der Auswirkungen von bildlichen Reizen auf die Atmung insbesondere die Untersuchung
wie die subjektive dimensionale Einschätzung der Valenz, der Erregung (Arousal) und Dominanz mit dem Verhalten der Atemparameter zusammenI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 193 -
hängt. Zusätzlich sollte analysiert werden ob das Geschlecht und die Persönlichkeitsvariabeln Extraversion und Neurotizismus die affektive Einschätzung sowie die physiologische Atemantwort beeinflussen.
1. Welche Beziehung existiert zwischen den affektiven Einschätzungen
und den physiologischen Atemantworten? Welche der affektiven Dimensionen übt den stärksten Effekt auf die verschiedenen physiologischen Antwortsysteme aus?
2. Bestehen Geschlechtsunterschiede in der affektiven subjektiven Einschätzung und in der physiologischen Antwort?
3. Modulieren Persönlichkeitsvariabeln (Extraversion, Neurotizismus) die
affektiven Einschätzungen und die physiologische Antwort?
8.2 Methodik
8.2.1 Versuchspersonen
17 Männer und 14 Frauen zwischen 20-30 Jahre alt, nahmen an dem Versuch teil. Die Aufnahmekriterien für den Versuch beinhalteten gute allgemeine Gesundheit, keinen Medikamenten- oder Drogenkonsum, die das emotionale Verhalten verändern könnten. Die Versuchspersonen wurden auch
gebeten vor dem Versuch auf Kaffee zu verzichten. Alle Versuchpersonen
wurden über das Ziel und Design der Studie in einem allgemeinen Sinn aufgeklärt und erklärten ihre Einverständnis schriftlich. Die Studie war vom lokalen ethischen Komittee der ETHZ genehmigt worden.
8.2.2 Eysenck Personality Inventory
Die Versuchspersonen füllten das Eysenck Personality Inventory aus für die
Bestimmung des Extraversionsgrades und Neurotizismusgrades. Die Antworten bestimmen einen Rohwert für Extraversion und Neurotizismus, welcher in einen Wert transformiert wird, der zwischen 1 und 9 liegen kann. Mit
einem Wert zwischen 1 und 3 auf der Extraversion-Skala wird die Person als
introvertiert eingeordnet, mit einem Wert zwischen 4 und 6 als neutral und
mit einem Wert zwischen 7 und 9 als extravertiert. Auf der NeurotizismusSkala ist die Aufteilung gleich: Mit Werten im Bereich 1-3 wird die Person als
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 194 -
stabil bezeichnet, mit Werten im Bereich 4-6 als neutral und im Bereich 7-9
als unstabil.
8.2.3 Die gezeigten Bilder
Vierzig Farbdias wurden aus dem IAPS (International affective picture system) basierend auf den Valenz und Arousal Einschätzungen von über 1500
Personen (Lang 1999) vorgeführt. Die ausgewählten Bilder variierten im Inhalt sowie im affektiven Niveau von beruhigend bis erregend, von angenehm
bis unangenehm. Die Bilder wurden in 8 Serien à 5 Bilder arrangiert, die
gleiche (ganz ähnliche) Valenz und Erregungsdimensionen aufwiesen. Serie
Nr 1 bestand aus Bildern mit hoher Valenz und hohem Arousal, Serie Nr.2:
hohe Valenz, tiefes Arousal, Serie 3: hohe Valenz und neutrales Arousal,
Serie 4: neutrale Valenz und tiefes Arousal, Serie 5: neutrale Valenz und
hohes Arousal, Serie 6: tiefe Valenz und tiefes Arousal, Series 7: tiefe Valenz und hohes Arousal und Serie 8: tiefe Valenz und neutrales Arousal. Unsere Absicht bestand darin, 8 Bildserien zu erhalten, die den gesamten affektiven Raum repräsentieren. Wie aus Tabelle 35 ersichtlich konnte dies
nur annähernd erreicht werden. Da der Quadrant mit unangenehmen beruhigenden Bildern und der Quadrant mit Bildern die neutral in Valenz und
hoch in Arousal sind, im allgemeinen unterrepräsentiert sind, führte dazu,
dass die Arousal Werte für die Bildserie 6 nicht so tief liegen und für Bildserie 5 nicht so hoch liegen, wie wir dies gewünscht hätten. Jedes Bild wurde
für 6 sec gezeigt, so dass eine Bildserie 30 sec dauerte. Die Reihenfolge der
Bilder in einer Serie wurde zufallsmässig bestimmt und über die ganze Studie hinweg konstant gehalten. Die Reihenfolge der Serien hingegen wurde
dergestalt variiert, dass jede Serie gleich oft als erste, zweite, usw. gezeigt
wurde.
Serie 1: High valence/ high arousal
Nr.
Set Description Valence
Arousal
Dominance
male
female all
male
female all
male
female all
4220
2
Erotic
female
8.02
(1.37)
n.of.i.
n.of.i.
7.17
(1.76)
n.of.i.
n.of.i.
6.20
(2.06)
n.of.i.
n.of.i.
4460
3
Erotic
n.of.i.
6.29
(1.56)
n.of.i.
n.of.i.
5.78
(1.78)
n.of.i.
n.of.i.
5.41
(1.94)
n.of.i.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 195 -
male
(1.56)
(1.78)
4660
3
Erotic
couple
7.63
(1.30)
7.22
(1.40)
7.40
8030
2
Skier
7.29
(1.66)
7.35
(1.86)
7.33
Water
skier
7.15
(1.54)
7.86
(1.12)
7.54
Sailing
7.73
(1.25)
7.73
(1.43)
7.73
mean
7.56
7.29
±SD
±0.35
±0.62
8200
8080
3
2
(1.94)
6.92
(1.74)
6.31
(1.95)
6.58
(1.88)
6.69
(1.30)
5.39
(1.66)
5.96
(1.64)
7.32
(2.16)
7.38
(1.91)
7.35
(2.02)
5.02
(2.71)
4.42
(2.62)
4.70
(2.66)
6.33
(2.05)
6.37
(1.94)
6.35
(1.98)
6.23
(1.55)
6.13
(1.67)
6.17
(1.61)
7.12
(1.95)
6.25
(2.34)
6.65
(2.20)
6.32
(1.97)
5.56
(2.16)
5.91
(2.10)
7.45*
6.97
6.42
6.69*
6.09
5.38
5.72*
±0.19
±0.39
±0.18
±0.38
±0.63
±0.62
±0.58
(1.36)
(1.76)
(1.37)
(1.34)
*calculated using the male subjects` mean value for “erotic female” and the female subjects` mean value for “erotic
male”; n.of.i.: not of interest
Series 2: High valence/ low arousal
Nr.
Set Description Valence
Arousal
Dominance
male
female
all
male
female
all
male
female
all
5760
1
Nature
7.69
(1.28)
7.68
(1.44)
8.05
(1.23)
2.77
(2.16)
3.40
(2.47)
3.22
(2.39)
7.64
(1.63)
6.06
(2.32)
7.49
(2.39)
5200
3
Flowers
6.96
(1.62)
7.69
(1.37)
7.36
(1.52)
3.46
(2.06)
2.98
(2.22)
3.20
(2.16)
6.19
(1.53)
6.22
(2.13)
6.21
(1.88)
1610
1
Rabbit
7.28
(1.47)
8.39
(0.91)
7.82
(1.34)
2.82
(2.01)
3.33
(2.36)
3.08
(2.19)
7.33
(1.91)
6.21
(2.34)
6.77
(2.19)
1670
1
Cow
6.51
(1.76)
7.11
(1.72)
6.81
(1.76)
2.95
(1.67)
3.16
(2.15)
3.05
(1.91)
6.61
(2.20)
6.45
(1.74)
6.53
(1.91)
1620
1
Sprgbok
6.80
(1.68)
7.95
(1.19)
7.37
(1.56)
3.60
(2.34)
3.49
(2.36)
3.54
(2.34)
6.97
(1.69)
6.67
(1.85)
6.82
(2.34)
mean
7.05
7.76
7.48
3.12
3.27
3.22
6.95
6.32
6.76
±SD
±0.45
±0.47
±0.48
±0.38
±0.20
±0.19
±0.57
±0.24
±0.47
Series 3: High valence/ neutral arousal
Nr.
Set Description Valence
Arousal
Dominance
male
female
all
male
female
all
male
female
all
8540
5
Athletes
7.28
(1.59)
7.66
(1.44)
7.48
(1.51)
4.96
(2.34)
5.34
(2.41)
5.16
(2.37)
5.74
(1.91)
6.00
(1.92)
5.88
(1.91)
5830
2
Sunset
7.37
(1.80)
8.54
(0.82)
8.00
(1.48)
4.98
(2.40)
4.88
(2.86)
4.92
(2.65)
5.68
(1.93)
6.40
(1.84)
6.07
(1.91)
2340
3
Family
7.65
(1.36)
8.34
(1.10)
8.03
(1.26)
5.35
(2.03)
4.53
(2.29)
4.90
(2.20)
6.02
(1.77)
6.31
(1.93)
6.18
(1.86)
2150
2
Baby
7.46
(1.60)
8.31
(1.49)
7.92
(1.59)
4.66
(2.37)
5.29
(2.83)
5.00
(2.63)
6.00
(2.44)
6.42
(2.26)
6.23
(2.34)
2160
3
Father
6.87
(1.87)
8.16
(1.28)
7.58
(1.69)
5.31
(2.10)
5.03
(2.25)
5.16
(2.18)
6.36
(1.98)
5.92
(2.12)
6.12
(2.06)
mean
7.33
8.20
7.80
5.05
5.01
5.03
5.96
6.21
6.10
±SD
±0.29
±0.33
±0.25
±0.28
±0.33
±0.13
±0.27
±0.23
±0.14
all
male
female
all
male
Series 4: Neutral valence/ low arousal
Nr.
Set Description Valence
male
Arousal
female
Dominance
female
all
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 196 -
5510
1
Mushroom
5.20
(1.52)
5.10
(1.35)
5.15
(1.43)
2.78
(2.29)
2.87
(2.09)
2.82
(2.18)
7.27
(2.15)
6.08
(1.69)
6.68
(2.18)
7050
2
Hairdryer
4.80*
5.10*.
4.80*
2.50*
2.90*.
2.70*
miss.
miss.
miss.
2200
1
Neutface
4.64
(1.18)
4.95
(1.56)
4.79
(1.38)
2.33
(1.78)
4.03
(2.22)
3.18
(2.17)
5.97
(1.98)
4.90
(2.10)
5.44
(2.17)
7000
2
Rolling pin
4.94**
5.06
(1.10)
5.00
(0.84)
2.69**
2.15
(1.70)
2.42
(1.79)
6.26**
6.02
(2.09)
6.14
(2.14)
7150
2
Umbrella
4.80*
4.80*.
4.60*
2.60*
2.60*
2.50*
miss.
miss.
miss.
mean
4.88
5.00
4.87
2.58
2.91
2.72
6.50
5.67
6.09
±SD
±0.21
±0.13
±0.21
±0.17
±0.69
±0.30
±0.68
±0.66
±0.62
* estimated from the two-dimensional affective space (Lang 1999)
** estimated from the mean values of all subjects and female subjects
Series 5: Neutral valence/ high arousal
Nr.
Set Description Valence
Arousal
Dominance
male
female
all
male
female
all
male
female all
6900
2
Aircraft
5.08**
4.44
(2.10)
4.76
(2.06)
5.97**
5.31
(2.17)
5.64
(2.22)
4.64**
3.90
(2.50)
4.27
(2.66)
4770
3
Female
kiss
6.67
(1.92)
3.47
(2.19)
4.91
(2.61)
6.52
(1.92)
5.31
(2.32)
5.85
(2.22)
5.77
(1.92)
5.02
(1.98)
5.35
(1.98)
5920
3
Volcano
5.83
(1.71)
4.63
(1.92)
5.16
(1.92)
6.25
(2.25)
6.22
(1.96)
6.23
(2.08)
3.90
(2.35)
3.98
(2.29)
3.95
(2.31)
1310
3
Leopard
5.27
(1.54)
4.05
(1.49)
4.60
(1.62)
5.89
(1.61)
6.09
(1.96)
6.00
(1.80)
4.94
(1.81)
3.91
(1.99)
4.37
(1.97)
8160
3
Rock
climber
5.54
(1.95)
4.69
(1.92)
5.07
(1.97)
6.90
(1.62)
7.03
(1.63)
6.97
(1.62)
4.52
(2.43)
3.67
(2.02)
4.05
(2.24)
mean
5.68
4.26
4.90
6.31
5.99
6.14
4.75
4.10
4.40
±SD
±0.62
±0.51
±0.23
±0.41
±0.72
±0.51
±0.68
±0.53
±0.56
** estimated from the mean values of all subjects and female subjects
Series 6: Low valence/ low arousal
Nr.
Set Description Valence
Arousal
Dominance
male
female
all
male
female
all
male
female
all
9090
2
Exhaust
3.24
(1.46)
3.83
(1.49)
3.56
(1.50)
4.22
(2.07)
3.75
(2.16)
3.97
(2.12)
4.44
(2.21)
4.56
(1.62)
4.51
(1.91)
9190
2
Woman
4.22
(1.19)
3.63
(1.58)
3.90
(1.44)
3.71
(1.75)
4.08
(1.71)
3.91
(1.73)
5.07
(1.71)
4.73
(1.90)
4.89
(1.81)
9000
2
Cemetery
2.81
(1.65)
2.33
(1.45)
2.55
(1.55)
3.90
(2.12)
4.19
(2.37)
4.06
(2.25)
3.29
(2.19)
3.21
(2.10)
3.25
(2.13)
9331
10
Bag man
3.09
(1.27)
2.67
(1.27)
2.87
(1.28)
3.42
(1.67)
4.25
(2.20)
3.85
(2.00)
5.38
(2.09)
4.13
(2.04)
4.72
(2.15)
9110
2
Puddle
3.78
(1.41)
3.75
(1.44)
3.76
(1.41)
3.90
(2.18)
4.04
(2.29)
3.98
(2.23)
4.83
(1.91)
4.92
(1.49)
4.88
(1.68)
mean
3.43
3.24
3.33
3.83
4.06
3.95
4.60
4.31
4.45
±SD
±0.57
±0.69
±0.65
±0.29
±0.19
±0.08
±0.81
±0.68
±0.69
Series 7: Low valence/ high arousal
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
Nr.
- 197 -
Set Description Valence
Arousal
Dominance
male
female all
male
female
all
male
female
all
3030
1
Ugly
wound
2.2*
1.6*
2.00*
6.6*
7.2*
6.90*
miss.
miss.
miss.
9050
2
Plane
crash
3.05
(1.70)
1.90
(1.32)
2.43
(1.61)
6.05
(2.01)
6.63
(1.91)
6.36
(1.97)
3.83
(2.19)
2.79
(1.83)
3.27
(2.06)
6570
6
Suicide
2.28**
2.10
(1.61)
2.19
(1.72)
6.05**
6.43
(1.85)
6.24
(2.16)
4.02**
4.04
(2.33)
4.03
(2.52)
6230
2
Aimed gun
2.73
(1.48)
2.06
(1.59)
2.37
(1.57)
7.10
(2.07)
7.56
(1.96)
7.35
(2.01)
2.34
(2.13)
1.98
(2.09)
2.15
(2.09)
9250
3
War victim
2.85
(1.47)
2.34
(1.28)
2.57
(1.39)
6.50
(1.66)
6.67
(2.04)
6.60
(1.87)
4.19
(2.05)
3.36
(1.78)
3.73
(1.94)
mean
2.62
2.00
2.31
6.46
6.90
6.69
3.60
3.04
3.29
±SD
±0.37
±0.27
±0.22
±0.44
±0.47
±0.45
±0.85
±0.87
±0.82
* estimated from the two-dimensional affective space (Lang 1999)
Series 8: Low valence/ neutral arousal
Nr.
Set Description Valence
3220
3
Hospital
2.59 2.41
(1.28) (1.31)
2.49
(1.29)
5.08 5.88
(1.89) (1.77)
5.52
(1.86)
3.82
3.30
(1.96) (1.55)
3.53
(1.75)
9180
2
Seal
2.76 3.19
(1.36) (1.78)
2.99
(1.61)
5.07 4.98
(2.26) (1.95)
5.02
(2.09)
4.44
4.58
(2.40) (1.81)
4.52
(2.09)
9140
2
Cow
2.56 1.88
(1.42) (1.26)
2.19
(1.37)
4.90 5.79
(2.29) (2.04)
5.38
(2.19)
4.07
3.67
(1.94) (1.96)
3.85
(1.95)
3230
3
Dying man
2.44 1.67
(1.50) (0.99)
2.02
(1.30)
5.00 5.75
(2.35) (2.04)
5.41
(2.21)
2.92
2.94
(2.20) (2.17)
2.93
(2.18)
3160
3
Eye
ease
dis- 2.73 2.70*
(1.12)
2.50*
5.23 5.50*
(1.88)
5.40*
4.35
miss.
(1.96)
miss.
2.44
5.06
5.35
3.92
3.71
±0.37
±0.12 ±0.36
±0.19
±0.61 ±0.70
male
mean
±SD
Arousal
female all
2.62 2.37
±0.13
±0.62
male
Dominance
female all
5.58
male
female
3.62
all
±0.66
* estimated from the two-dimensional affective space (Lang 1999)
Tabelle 34: Normative Einschätzung der ausgewählten Bilder für Frauen, Männer und
beide Geschlechter zusammen gemäss (Lang 1999) sowie Mittelwert und Standardabweichung (SD) für jede Bildserie.
8.2.4 Bestimmung der affektiven Antwort
Zur Bewertung der 3 affektiven Dimensionen wurde die pencil-and-papar
Version des Self-Assessment Manikin (SAM) verwendet (Lang 1980), wie
schon in der Untersuchung mit den Gerüchen beschrieben.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 198 -
8.2.5 Messung der Atemparameter
Die Aufzeichnung und Analyse der Atemparameter ist im Detail im Kapitel:
Aufbau einer Atemmessumgebung beschrieben.
Folgende Atemparameter wurden ausgewertet: Dauer eines Atemzuges
(Ttot) und Atemrate (RR), Inspirationsvolumen (Vi) und Exspirationsvolumen
(Ve), Inspirationszeit (Ti) und Exspirationszeit (Te), Duty cycle (Ti/Ttot), mittlerer Inspirationsfluss (Vi/Ti) und der Prozentsatz der Brustkorb Ausdehnung
am Vi (%RC).
8.2.6 Messung der Herzrate und der Hautleitfähigkeit
Herzrate (HR) und Hautleitfähigkeit (SC) wurden gemessen mit dem Varioport Messsystem (Becker Meditec, Karsruhe, Germany). Das Varioport ist
ein Achtkanal-Rekorder zur Erfassung physiologischer Daten. In den einzelnen Messkabeln befinden sich Vorverstärker. Im Gerät erfolgt eine Filterung
der Daten (Anti-Alias-Filter zur Abtrennung hoher Frequenzanteile), sowie
eine Endverstärkung um den Faktor 10. Die anschliessende Digitalisierung
erfolgt mit 12 Bit Auflösung. Das Gerät wird über einen PC gesteuert
(VP_Basic software, TEMEC Instruments B.V., 6460 HA Kerkrade, NL) und
die Kanäle werden durch die Definitionsdatei „vario.def“ folgendermassen
definiert.: EKG Einheit mV, Samplingrate 512 Hz, Speicherrate 256 Hz, Auflösung 1 µV; Puls Einheit Schläge/min, Samplingrate 512 Hz, Speicherrate 4
Hz, Auflösung 1 Schläge/min; SC Einheit µS, Samplingrate 256 Hz Speicherrate 16 Hz, Messbereich 0.1-100 µS, Auflösung 0.001 µS. Puls wird
vom EKG-Signal abgeleitet. Zur Messung der Hautleitfähigkeit wurde eine
spezielle hochauflösende Einheit verwendet (16 statt 12 Bit). Dazu wurden
zwei mit Schmiercreme (MED-TEK/Synapse, Arcadia, CA 91007, USA) gefüllte Sensoren auf der Handinnenfläche geklebt. Dabei wurde bei Rechtshändern die linke, bei Linkshändern die rechte Hand gewählt. Das EKG wurde durch Applizierung von drei vorgelieferten Elektroden (60 mm, Leonherd
Lang GmbH, Innsbruck, Austria) auf der linken Brustseite abgenommen. Im
Anschluss an den Versuch wurden die Daten von der Speicherkarte auf den
PC überschrieben und gespeichert.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 199 -
Darüber hinaus wurden die Herzrate-Variabilität (HRV) und die Hautleitfähigkeit-Variabilität (SCV) bestimmt, indem der Variationskoeffizient (Standardabweichung dividiert durch Mittelwert) berechnet wurde.
8.2.7 Ablauf einer Untersuchung
Die Versuchsperson sass aufrecht in einem ca. 26 m2 grossen, Lärm und
Licht gedämpften Raum. Zuerst füllten die Versuchspersonen das Eysenck
Personality Inventory aus. Die Versuchpersonen wurden instruiert, dass insgesamt 8 Bildserien à 5 Bildern gezeigt werden und dass sie jedes Bild solange es präsentiert wird betrachten sollen. Der Gebrauch des grafischen
Differentials (SAM) wurde erläutert sowie, dass das subjektive Gefühl während der gesamten Bildserie eingeschätzt werden solle. Zwei Bilder wurden
vorhergehend gezeigt um einerseits das grafische Differential anzuwenden
und andererseits den Versuchspersonen ein Gefühl zu geben, was sie erwartete. Die Dias wurden auf eine Wand, die 1.2m von den Augen der Versuchsperson entfernt war, projiziert. Das projizierte Bild war 60 cm breit und
60 cm hoch. Nach dem Anlegen der Respitrace Bänder und EKG, sowie
Hautleitfähigkeits-Sensoren wurde den Versuchspersonen Zeit gegeben,
sich zu akklimatisieren. Dann wurde eine 2 Minuten dauernde BasisMessung durchgeführt, bevor die erste Bildserie gezeigt wurde. 5 Sekunden
vor einer neuen Bildserie wurde die Versuchsperson informiert, dass jetzt
wieder eine Bildserie kommen werde. Nach jeder Bildserie wurde das grafische Differential angekreuzt. Danach wurden die Versuchspersonen gebeten, sich für eine Minute zu entspannen.
8.2.8 Daten Analyse und Statistik
Behandlung der Atemparameter
Für jeden Atemparameter und für jede Versuchsperson wurde der Median
der einzelnen Messwerten jeder Bildserie (30sec-Median „S“), sowie der ersten 15sec („Sa“) und der letzten 15sec („Sb“) separat berechnet. Von der
60sec dauernden Pause vor jeder Bildserie wurde der Median der letzten
30sec („P“) berechnet. Daraus wurden für jede Bildserie die prozentualen
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 200 -
Änderungen zur vorhergehenden Pause berechnet („%S“ = (S-P)/P*100;
„%Sa“ = (Sa-P)/P*100 und „%Sb“ = (Sb-P)/P*100).
Behandlung der Parameter Herzrate und Hautleitfähigkeit:
Für jede Versuchsperson wurden der Mittelwert und die Standardabweichung jeder Bildserie (30sec-Median „S“), sowie der ersten 15sec
(„Sa“) und der letzten 15sec („Sb“) separat berechnet. Ebenfalls wurden Mittelwert und Standardabweichung der letzten 30sec jeder Pause („P“) berechnet. Wie mit den Atemparametern, wurde daraus für jede Bildserie die
prozentualen Änderungen zur vorhergehenden Pause berechnet („%S“,
„%Sa“, „%Sb“). Für die Variabilität von HR und SC wurde nur %S berechnet.
Zuerst wurde eine Zweifaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit Messwiederholungen für jede abhängige Variable, mit den 8 Bildserien (Bedingungen)
als Messwiederholungsfaktor und Geschlecht und Extraversion als gruppierender Faktor durchgeführt. Paarvergleiche der Bedingungen wurden mittels
t-test geprüft. Schaffer`s (1986) sequentiell zurückweisende Bonferroni Annäherung wurde gebraucht, um Signifikanzen zwischen den Mittelwerten zu
identifizieren.
Um Zusammenhänge zwischen affektiver Einschätzung und physiologischen
Antworten zu prüfen wurde das folgende Procedere angewandt: Basierend
auf der subjektiven Einschätzung wurden für jede Versuchsperson die Bildserien in drei Rangreihenfolgen (Valenz, Arousal, Dominanz), von 1 (am
tiefsten) bis 8 (am höchsten) geordnet. Wenn zwei oder mehr Bildserien identisch eingeschätzt wurden in einer Dimension, wurde der Mittelwert der
Bildserie herangezogen um die Serie einzugliedern. Dieses Prozedere ergab
ein Set von 8 ranggeordneten Einschätzungen für jede Versuchsperson und
jede affektive Dimension mit den dazugehörenden physiologischen Parametern. Eine Varianzanalyse mit Messwiederholungen wurde für jeden physiologischen Parameter mit dem Rang als within Faktor und Sex und Extraversion als gruppierende Faktoren durchgeführt. Zur Überprüfung eines linearen oder quadratischen Zusammenhanges wurden polynominale Kontraste
angewendet. Zusätzlich wurden die Mittelwerte des Rang Samples für Va-
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 201 -
lenz, Arousal und Dominanz mit dem Mittel des physiologischen Parameters
korreliert. Dies wurde auch für jede einzelne Versuchsperson durchgeführt.
8.3 Ergebnisse
8.3.1 Versuchspersonen
Versuchsperson
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Sex
w
m
m
m
m
m
m
w
w
w
w
m
m
w
m
w
w
m
m
m
m
m
m
m
w
w
w
w
w
w
m
Extraversion
Wert (1-9)
2
5
5
7
2
5
3
7
4
8
3
7
3
8
2
5
4
5
1
5
7
6
4
6
3
5
5
7
5
4
6
Gruppe
introvertiert
neutral
neutral
extravertiert
introvertiert
neutral
introvertiert
extravertiert
neutral
extravertiert
introvertiert
extravertiert
introvertiert
extravertiert
introvertiert
neutral
neutral
neutral
introvertiert
neutral
extravertiert
neutral
neutral
neutral
introvertiert
neutral
neutral
extravertiert
neutral
neutral
neutral
Neurotizismus
Wert (1-9)
5
3
2
4
6
7
9
4
6
7
4
5
5
4
4
3
8
5
4
6
5
5
8
3
4
5
4
4
6
5
2
Gruppe
neutral
stabil
stabil
neutral
neutral
instabil
instabil
neutral
neutral
instabil
neutral
neutral
neutral
neutral
neutral
stabil
instabil
neutral
neutral
neutral
neutral
neutral
instabil
stabil
neutral
neutral
neutral
neutral
neutral
neutral
stabil
Tabelle 35: Charakterisierung der Versuchspersonen
Für Extraversion wurde folgende Aufteilung der 31 Teilnehmenden erhalten:
8 Introvertierte (3 Frauen, 5 Männer), 16 Neutrale (8 Frauen, 8 Männer), 7
Extravertierte (3 Frauen, 4 Männer). Für Neurotizismus waren nur 5 Personen in den Extremgruppen „stabil“ und „instabil“. Aus diesem Grund wurde
dieser Einflussfaktor bei der Auswertung der Daten nicht weiter berücksichtigt.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 202 -
8.3.2 Subjektive affektive Einschätzung der Bildserien
8.3.2.1 Within-Effekte
Alle drei affektiven Dimensionen differenzieren signifikant zwischen den
Bildserien. Mittelwerte, SD und F-Werte sind in Tabelle 37 aufgeführt. Nicht
signifikante Unterschiede für die Dimension Valenz wurden zwischen den
Serien 1 & 3 (p=0.064), 2 & 3 (p=0.829), 4 & 5 (p=0.798) und 7 & 8
(p=0.876); für die Dimension Arousal zwischen 2 & 4 (p=0.370), 5 & 8
(p=0.295), 5 & 7 (p=0.258), 1 & 7 (p=0.191), 6 & 8 (p=0.176) und 7 & 8
(p=0.068); für Dominanz zwischen 2 & 4 (p=0.927), 1 & 3 (p=0.800), 1 & 4
(p=0.743), 2 & 3 (p=0.737), 1 & 2 (p=0.710), 3 & 4 (p=0.504) and 5 & 6
(p=0.181).
Affective dimension Slide Series
Valence
Arousal
Dominance
1
7.26 (1.34)
6.94 (1.55)
5.97 (1.83)
2
7.87 (1.23)
2.45 (1.71)
6.13 (1.89)
3
7.81 (1.35)
4.00 (2.07)
5.87 (2.05)
4
5.29 (1.07)
2.77 (1.67)
6.10 (1.54)
5
5.35 (1.38)
6.13 (1.43)
4.33 (2.04)
6
3.19 (1.30)
5.23 (1.94)
3.81 (1.60)
7
2.06 (1.09)
6.45 (2.03)
2.23 (1.15)
8
2.03 (1.05)
5.77 (1.82)
3.13 (1.61)
F-value
F(7,189): 114.8*
F(7,189): 26.6*
F(7,182): 27.5*
Tabelle 36: Mittelwerte und (SD) für die affektiven Dimensionen der einzelnen Bildserien, *
p<0.001
Die folgenden Gruppen können gemäss der post-hoc Testung unterschieden
werden: Bildserien 1, 2 & 3 weisen die höchsten Mittelwerte in Valenz auf,
wobei Bildserie 1 etwas tiefer liegt als 2 & 3; Serien 4 & 5 haben eine neutrale Valenz und die Serien 6, 7 & 8 die tiefsten Valenz Mittelwerte, wobei 7 & 8
signifikant tiefer liegen als 6. Bildserien 2 & 4 haben gleich tiefe Arousal
Werte, Serie 3 ist neutral in Arousal und unterscheidet sich signifikant von
allen anderen Serien; eine progressive Zunahme des Arousal fanden wir
beginnend mit Serie 6, die noch fast neutral liegt zu 8, 5 und 7 bis Serie 1
mit dem höchsten Arousal Wert, Serien 5, 7 & 8 sind nicht signifikant unterschiedlich, wie auch 6 zu 8 und 1 zu 7. Für Dominanz zeigten Bildserien 1,
2, 3 & 4 die gleichen neutralen bis hohen Werte, diese sind signifikant verschieden von den anderen vier Serien, wobei 5 & 6 neutral bis tiefe Werte
aufweisen und 7 & 8 am tiefsten liegen, mit Serie 7 signifikant tiefer als Serie
8.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 203 -
8.3.2.2 Between-Subjects effects
8.3.2.2.1 Sex
Die Einschätzungen der Dimensionen Valenz und Dominanz der männlichen
Versuchpersonen lagen signifikant höher als bei den weiblichen über die
acht Bildserien (F=8.478 (1/27); p=0.007), respektiv (F=9.171 (1/27);
p=0.005). Die Unterschiede waren v.a. in den Serien 5, 7 und 8 für Valenz
und in den Serien 1, 3, 4, 7 und 8 für Dominanz deutlich. Die Einschätzung
der Dimension Erregung lag bei den Frauen etwas höher als bei den Männern, erreichte jedoch keine Signifikanz (F=2.857 (1/27); p=0.102).
Valence
males vs. females
10
8
6
f
4
m
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Slide Series
Abbildung 36: Mittelwerte der Valenz Einschätzung für Frauen und Männer (mean und
SD).
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 204 -
Arousal
males vs. females
10
8
f
m
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Slide Series
Abbildung 37: Mittelwerte und SD der Erregungseinschätzung für Frauen und Männer
Dominance
males vs. females
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
f
m
1
2
3
4
5
6
7
8
Slide Series
Abbildung 38: Mittelwerte und SD für die Dominanz-Einschätzung von Frauen undMännern
8.3.2.2.2 Extraversion
Es wurde kein signifikanter Effekt in bezug auf die subjektive affektive Einschätzung über die Bildserien gefunden. Zwar gibt es Hinweise, dass die
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 205 -
Extravertierten die Valenz Dimension etwas anders einschätzten als die übrigen Teilnehmer. Abbildung 39 zeigt, dass die Extravertierten Bilder mit hoher Valenz (Serien 1,2,3) als weniger angenehm und Bilder mit sehr tiefer
Valenz (Serien 6,7,8) als weniger unangenehm einschätzten als die Neutralen und Introvertierten Personen. Anders gesagt die Extravertierten weisen
eine schmälere Einschätzungsskala (von einem Mittelwert von 3.0 für Serie
6-8 bis 7.2 für Serie 1-3) auf als die Introvertierten (1.7 bis 7.6) und Neutralen (2.2 bis 7.8). Zusätzlich schätzten die Introvertierten die neutralen Bilder
(Serien 4 und 5) weniger angenehm als die Extravertierten (Mittelwerte: 4.8
vs. 5.6).
Valenz
Extraversion
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
introvertiert
neutral
extravertiert
1
2
3
4
5
6
7
8
Bildserien
Abbildung 39: Valenz-Einschätzung in Abhängigkeit der Persönlichkeitsvariable Extraversion (mean und SD)
8.3.2.2.3 Korrelationen der affektiven Dimensionen
Wie Abbildung 40 zeigt wurde eine relativ starke Korrelation zwischen der
Valenz und Dominanz Einschätzungen gefunden (Spearman R=0.613). Wird
die Valenz tief eingestuft, so wird auch die Dominanz tief eingestuft, dasselbe gilt für hohe Einstufungen. Zwischen Valenz und Arousal konnte keine
relevante Korrelation gefunden werden (Spearman R = -0.248) wie auch
zwischen Arousal und Dominanz (Spearman R = -0.386).
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 206 -
10
9
DOMINANCE
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4 5 6
VALENCE
7
8
9
10
Abbildung 40: Valenz und Dominanz Einstufungen
8.3.2.3 Vergleich der Einschätzungen mit den normativen IAPS Einschätzungen
Die affektiven Einschätzungen der Männer, Frauen und aller Versuchspersonen wurden mit den Mittelwerten der IAPS (Lang 1999) verglichen. Signifikante Unterschiede sind in Tabelle 37 angegeben:
Series
1
2
3
4
5
6
7
8
Valence
Arousal
Dominance
male
female
all subjects
male
female
all subjects
male
female
all subjects
IAPS Study IAPS Study IAPS Study IAPS Study IAPS Study IAPS Study IAPS Study IAPS Study IAPS Study
7.56 7.47 7.29 7.00 7.45 7.26 6.97 6.59 6.42 7.36*
6.69
6.94 6.09 6.71 5.38
5.07 5.72
5.97
7.05 8.18** 7.76 7.50 7.48 7.87 3.12 2.71 3.27 2.14*** 3.22 2.45*
6.95 6.23 6.32
6.00 6.76
6.13
7.33 7.59 8.20 8.07 7.80 7.81 5.05 3.76*
5.01
4.29 5.03 4.00**
5.96 6.71 6.21 4.86*
6.10
5.87
4.88 5.35 5.00 5.21 4.87 5.29*
2.58 2.65 2.91
2.93 2.72
2.77 6.50 6.65 5.67
5.43 6.09
6.10
5.68 5.94 4.26 4.64 4.90 5.35 6.31 5.88 5.99
6.43 6.14
6.13 4.75 4.59 4.10
4.00 4.40
4.33
3.43 3.47 3.24 2.86 3.33 3.19 3.83 4.53 4.06 6.07*** 3.95 5.23*** 4.60 4.12 4.31 3.43*
4.45 3.81*
2.62 2.35 2.31 1.71 2.31 2.06 6.46 6.18 6.90
6.79 6.69
6.45 3.60 2.71** 3.04 1.64*** 3.29 2.23***
2.62 2.35 2.37 1.64*
2.44 2.03*
5.06 5.53 5.58
6.07 5.35
5.77 3.92 3.71 3.62 2.43*
3.71
3.13
Tabelle 37: Vergleich der affektiven Einschätzungen mit denen der normativen IAPS
Werten.* p<0.05; ** p<0.01; *** p<0.001
Diese Resultate müssen vorsichtig interpretiert werden, da die IAPS Werte
den Mittelwert der Mittelwerte der 5 gebrauchten Bilder darstellen während
in unserer Untersuchung die Versuchspersonen die gesamte Bildserie einschätzten. Es ist höchst wahrscheinlich, dass die Einschätzung von fünf BilI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 207 -
dern zusammen ein anderes Resultat ergibt als der Mittelwert von fünf einzelnen Einschätzungen.
8.3.3 Atmung
8.3.3.1 Pausen
Die Werte der acht Pausen (P) wurden für jeden Atemparameter miteinander
verglichen. Keine signifikanten Unterschiede wurden gefunden.
Unterschiede zwischen Frauen und Männern wurden beim Inspirationsvolumen (Vi) und bei der Brustatmung (%RC) gefunden. Die Frauen wiesen ein
kleineres Vi (F=6.538 (1/22); p=0.018) und grössere Werte für %RC
(F=7.333 (1/22); p=0.013) auf. Unterschiede zwischen den ExtraversionGruppen wurden für Vi und Inspirationsfluss Vi/Ti gefunden, wobei die Extravertierten ein etwas kleineres Vi und Vi/Ti während den Pausen aufwiesen
als die anderen (F=4.262 (2/22), p=0.027, bzw. F=3.444 (2/22), p=0.050).
8.3.3.2 Während dem Bilderanschauen
8.3.3.2.1 Within-Subjects Effekte
Signifikante Haupteffekte über die Bildserien wurden für die Inspirationszeit
(Ti (%Sb) F=3.31 (7/154), p = 0.003), Exspirationszeit (Te (%Sa) F=3.398
(7/154), p=0.002 & %Sb F=2.238 (7/154), p=0.034), Gesamtdauer eines Atemzuges (Ttot (%Sb, F=2.237 (7/154), p=0.034), Inspirationsvolumen (Vi
(%Sb) F=2.373 (7/154), p=0.025), Expirationsvolumen (Ve (%Sb) F=2.585
(7/154), p=0.015) und für den Inspirationsfluss (Vi/Ti (%Sb) F=3.694 (7/154),
p=0.001). Post-hoc Vergleiche zeigten signifikante Unterschiede der Mittelwerte für Ti und Vi/Ti in den letzten 15 Sekunden der Stimulus Präsentation
auf. Beide Parameter sind in Bildserie 2 signifikant verschieden von den Serien 1, 7 und 8 (Abbildung 41). Der Anteil Brustatmung wurde eine generelle
Abnahme während allen Bildserien festgestellt. Dies wurde durch eine Kontrastanalyse zwischen den Pausenmittelwerten und Bildserienmittelwerten
bestätigt. Für Ti/Ttot konnte kein Effekt der Bildserien aufgezeigt werden.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 208 -
Inspiratory Flow (Vi/Ti)
mean %change from pause
60.0
%
40.0
20.0
0.0
1
2
3
4
5
6
7
8
-20.0
Slide Series
Abbildung 41: Delta Vi/Ti bei den einzelnen Bildserien (mean und SEM). Wobei Bildserie 1 hohe Valenz(HV) und hohes Arousal (HA), 2 HV/TA, 3 HV/NA, 4 NV/TA, 5
NV/HA, 6 TV/NA, 7 TV/HA und 8 TV/NA aufwies. (N=neutral)
8.3.3.2.2 Between-Subjects Effekte
Bei der Atmungsantwort auf die Bildserien konnten geschlechtsbezogene
Unterschiede für Vi (%S: F=8.834 (1/22), p=0.007, %Sa: F=7.757 (1/22),
p=0.011 und %Sb: F=0.005 (1/22), p=0.005) und Inspirationsfluss (%Sb:
F=5.707 (1/22), p=0.026) festgestellt werden. Frauen zeigten bei den meisten Bildserien eher eine Zunahme in Vi sowie eine stärkere Zunahme des
Inspirationsflusses Vi/Ti. Signifikante Auswirkungen wurden für den Gruppenfaktor Extraversion für Ti, Te und Ttot sowie Vi gefunden. Unterschiede
wurden für %S, %Sa als auch %Sb. Die Zeitparameter Ti, Te und Ttot zeigten gleiche Antwortmuster zwischen den Gruppen, mit den folgenden statistischen Werten für %S: Ti, F=16.115 (2/22), p<0.001; Te, F=5.750 (2/22),
p=0.010, und Ttot F=16.369 (2/22), p<0.001. Während Neutrale und Introvertierte generell die respiratorischen Zeitparameter verkürzten, wiesen die
Extrovertierten eine Tendenz auf, die Zeiten zu verlängern. Dort wo alle
Gruppen eine Zeitverkürzung zeigten, war diese Verkürzung kleiner bei den
Extrovertierten. Auch für Vi wurden signifikante Effekte gefunden ((%S)
F=10.609 (2/22), p=0.001) wobei die Extravertierten eine Vergrösserung des
Volumens oder eine kleinere Abnahme zeigten als die generelle Abnahme
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 209 -
der übrigen Versuchspersonen. Da die Veränderungen in Ti und Vi für die
verschiedenen Gruppen in die gleiche Richtung weisen, sollte Vi/Ti nicht
verschieden sein, was auch der Fall war.
Vi, Ti, Vi/Ti
extraversion
20
%
10
0
-10
Vi
Ti
Vi/Ti
introvertiert
neutral
extravertiert
-20
All slide Series
Abbildung 42: Vi, Ti und Inspirationsfluss Vi/Ti ausgedrückt als Median über alleBildserien in Abhängigkeit der Persönlichkeitsvariable Extraversion
8.3.4 Affektiven Dimensionen und Atemparametern
8.3.4.1 Valenz
Signifikante lineare Trends über die Valenz wurden für Inspirationszeit Ti
(%Sb: F=12.566 (1/22), p=0.002), duty cycle Ti/Ttot (%Sb: F=10.171 (1/22),
p=0.004) und Inspirationsfluss Vi/Ti (%Sb: F=36.832 (1/22), p<0.001 Abbildung 8) ermittelt. Ti wurde länger mit zunehmender Valenz während Vi/Ti
sich verkleinerte. Vergleiche der Summe der Quadrate für den linearen
Trend mit der Summe der Quadrate für Valenz zeigt an, dass der lineare
Trend 34% der Variabilität für Ti, 55% für Ti/Ttot und 58% für Vi/Ti erklärt. Vi
zeigte einen quadratischen Trend mit der Valenz (%Sa, F=5.678 (1/22)
p=0.026) und diese Beziehung erklärt 51% der Variabilität. Diese quadratische Beziehung war bei 13 Versuchspersonen besonders stark, wobei auch
eine lineare Komponente vorhanden war (Linearer Trend: F=9.647 (1/12),
p=0.009; quadratischer Trend: F=11.445 (1/12), p=0.005, Abbildung). Für
eine kleinere Gruppe von 9 Personen wurde jedoch eine entgegengesetzte
Tendenz beobachtet, nämlich relativ niedrige Volumen bei unangenehmen
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wiss. Arbeit
- 210 -
Bildern mit einer Vergrösserung von Vi mit zunehmender Valenz, wobei diese Beziehung nicht so stark war (F=4.611 (1/8), p=0.064). Dies erklärt auch
den relativ hohen p-Wert für die quadratische Beziehung mit allen Probanden.
%
Inspiratory drive (Vi/Ti)
relation with valence (%Sb)
50
40
30
20
10
0
-10
-20
0
2
4
6
8
10
Valence
Abbildung 43: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsfluss
(Vi/Ti%Sb). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang.
Linear R (Pearson)=-0.642.
Inspiratory drive (Vi/Ti) and valence correlation
by subject
Pearson correlation (R)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
Abbildung 44: Verteilung der intrasubjektiven Korrelationen zwischen Valenz undInspirationsfluss (Vi/Ti %Sb). Korrelationen unter 0 weisen in die entgegengesetzte
Richtung
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 211 -
Inspiratory volume (Vi)
relation with valence
30
%change
20
10
0
-10
0
2
4
6
8
10
-20
Valence
Abbildung 45: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsvolumen
(Vi%Sa). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang für alle
Versuchspersonen.
Inspiratory volume (Vi)
relation with valence (%Sa) n=13
30
%
20
10
0
-10
-20
0
2
4
6
8
10
Valence
Abbildung 46: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsvolumen
(Vi%Sa). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang für 13
Versuchspersonen.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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- 212 -
Inspiratory volume (Vi)
relation with valence (%Sa) n=9
80
60
%
40
20
0
-20
-40
0
2
4
6
8
10
Valence
Abbildung 47: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsvolumen
(Vi%Sa). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang für 9
Versuchspersonen.
8.3.4.2 Arousal
Signifikante lineare Trend über das Arousal ergaben sich für Ti (%S:
F=9.630 (1/22), p=0.005, Abbildung x ), Ttot (%S: F=6.652 (1/22), p=0.017),
Ti/Ttot (%Sb: F=7.330 (1/22), p=0.013) und Vi/Ti (%Sb: F=12.311 (1/22),
p=0.002). Der Vergleich der Summenquadrate ergab, dass der lineare Trend
65% der Variabilität von Ti, 20% von Ttot und 48% von Vi/Ti erklärt. In Abbildung x sind die Stichproben-Mittelwerte für Arousal gegen die StichprobenMittelwerte der Ti-Antwort bei den acht Ränge aufgetragen.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 213 -
%
Inspiratory time (Ti)
relation with arousal (%S)
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
0
2
4
6
8
10
Arousal
Abbildung 48: Beziehung zwischen der subjektiven affektiven Dimension Erregung
(inRangreihenfolge) und Ti (Mittelwerte und SEM). Lineares R (Pearson) = 0.743
Pearson correlation (R)
Inspiratory time (Ti) and arousal correlation
by subject
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
Abbildung 49:Verteilung der individuellen Korrelationen zwischen Arousal und Inspirationszeit über die ganze Bildserie (Ti %S).
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 214 -
Inspiratory drive (Vi/Ti) and arousal correlation
by subject
Pearson correlation (R)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
Abbildung 50: Individuelle Korrelationen zwischen Arousal Einstufungen und dem
Inhalationsfluss (Vi/Ti %Sb)
8.3.4.3 Dominanz
Signifikante lineare Trends über die Dominanz-Dimension wurden für Vi/Ti
(%S: F=5.756 (1/22), p = 0.025; %Sb: F=22.366 (1/22), p<0.001) sowie für
Ti (%Sb: F=4.605 (1/22), p=0.043) gefunden. Die Inspirationszeit Ti nimmt
zu während Vi/Ti abnimmt mit zunehmenden Dominanz-Einstufungen.
Signifikante quadratische Trends wurden für Inspirationszeit Ti (%Sa:
F=9.305 (1/22), p=0.006), Exspirationszeit Te (%S: F=5.560 (1/22),
p=0.028), total cycle time Ttot (%S: F=13.979 (1/22), p=0.001) und Inspirationsvolumen Vi (%Sa: F=5.754 (1/22), p=0.025) gefunden. Der Vergleich der
Summenquadrate zeigte, dass der lineare Trend 90% der Variabilität über
die Dominanz-Dimension für Vi/Ti erklärt. Der quadratische Trend erklärte
27% für Te, 62% für Ttot und 67% für Vi.
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Danuser
- 215 -
%
Inspiratory drive (Vi/Ti)
relation with dominance (%Sb)
50
40
30
20
10
0
-10
-20
0
2
4
6
8
Dominance
Abbildung 51: Kovariation der affektiven Dominanz-Einstufungen mit dem Inspirationsfluss (Vi/Ti %Sb). Mittelwerte und SEM.
Parameter
Valenz
Ti (%S)
----
% Var.
Arousal
% Var.
Dominanz
%S, linear
65%
----
52%
----
% Var.
p = 0.005
Ti (%Sb)
Te (%S)
%Sb, linear
34%
%Sb linear
p = 0.002
p = 0.003
----
----
%S quadrat.
27%
P = 0.028
Ttot (%S)
----
Ti/Ttot
%Sb linear
(%Sb)
p = 0.004
Vi (%Sa)
%Sa quadrat.
%S linear
20%
p = 0.017
P = 0.001
55%
----
-----
51%
----
%Sa quadrat.
P = 0.026
Vi/Ti (%S)
%S linear
%Sb linear
p < 0.000
62%
67%
P = 0.025
26%
%S linear
p = 0.025
Vi/Ti (%Sb)
%S quadrat.
75%
p = 0.025
58%
%Sb linear
p = 0.002
48%
%Sb linear
90%
p < 0.000
Tabelle 38: Lineare und Quadratische Trends zwischen Atemparametern undaffektiven Dimensionen (rangskaliert). %S = gesamte 30 s, %Sa = 1-15 s, %Sb = 16-30 s
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wiss. Arbeit
- 216 -
Tabelle 38 zeigt eine Übersicht über die gefunden Beziehungen zwischen
den verschiedenen Atemparametern und den affektiven Einstufungen, sowie
den Anteil der erklärten Varianz.
8.3.5 Herzrate und Hautleitfähigkeit
8.3.5.1 Within-Subjects Effekte
Signifikante Effekte der Bildserien wurden für die Hautleitfähigkeit (SC) (%S:
F=5.81 (7/147), p<0.001, %Sa: F=4.076 (7/147), p<0.001; %Sb: F=6.706
(7/147) p<0.001) sowie für die Variabilität der Hautleitfähigkeit (SCV) (%S:
F=3.472 (7/147) p=0.002) gefunden. Im Gegensatz dazu konnten keine
Auswirkungen der Bildsserien auf die Herzrate (HR) sowie für deren Variabilität gefunden werden. Paarweise Vergleiche zeigten signifikante Unterschiede der Mittelwerte der SC in allen drei Intervallen. Bildserie 1 ist verschieden von Serie 2, 4 und 6. Die SC Variabilität unterscheidet sich zwischen Bildserie 1 verglichen mit 2,4 und 8, sowie zwischen Bildserie 5 verglichen mit 4 und 8. Bei der Variabilität der Herzrate konnte eine generelle
Abnahme während dem Bilder Anschauen verglichen mit den Pausen festgestellt werden (F=4.802 (6/22), p=0.003). Weder für die Hautleitfähigkeit
noch für die Herzrate konnten Unterschiede über die Pausen gefunden werden.
8.3.5.2 Between-Subjekt Effekte
Geschlechtsunterschiede wurden während dem Betrachten der Bildserien in
der HR Antwort festgestellt (%Sb F=4.500 (1/22), p=0.045). Frauen zeigten
eine leichte Zunahme der HR, während Männer eher eine Abnahme der HR
aufwiesen beim Betrachten der Bildserien. Die Unterschiede wurden v.a. bei
den sehr wenig und den sehr erregenden Serien sichtbar. Die Persönlichkeitsvariable Extraversion zeigte keinen Effekt weder auf die HR noch auf
die SC.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 217 -
8.3.6 Affektiven Dimensionen und Herzrate und Hautleitfähigkeit
8.3.6.1 Valenz
Weder wurde ein linearer noch ein quadratischer Zusammenhang zwischen
HR oder SC mit Valenz gefunden.
8.3.6.2 Arousal
Signifikante lineare Trends zwischen Arousal und SC konnten während allen
Zeitintervallen festgestellt werden (%S F=9.219 (1/21), p=0.006; %Sa
F=7.202 (1/21), p=0.014; %Sb F=9.843 (1/21), p=0.005) Die Hautleitfähigkeit nimmt monoton mit steigendem Arousal zu. Der lineare Trend erklärt
58%, 49% und 59% der Variabilität der drei Zeitintervalle. Auch die Variabilität SCV zeigte eine lineare Beziehung mit Arousal (F=7.44 (1/21) p=0.013).
Gleich wie SC nimmt SCV mit zunehmendem Arousal zu und erklärt 58%
der Arousal-Variabilität. Eine signifikante quadratische Beziehung zwischen
der Herzraten-Variabilität HRV und Arousal (F=6.14 (1/22), p=0.021), die
46% der Variabilität erklärt, wurde gefunden. HRV war am höchsten für hohes Arousal, am niedrigsten für neutrales Arousal und ein bisschen höher
wieder für tiefes Arousal. Eine weniger starke lineare Komponente war auch
vorhanden (F=3.803 (1/22), p=0.064). Ausserdem wurde eine Interaktion mit
dem Geschlecht gefunden (F=5.566 (1/22), p=0.028). Die Analyse der beiden Geschlechter zeigt, dass v.a. die weiblichen Versuchspersonen diese
quadratische Beziehung zeigen (F=8.303 (1/11), p=0.015) während bei den
männlichen Probanden als Gruppe genommen nicht vorhanden ist (F=0.020
(1/15), p=0.888), auch wenn einige Männer diese Beziehung ebenfalls zeigen. Die männlichen Probanden sind eher durch eine allgemeine Reduktion
der HRV gekennzeichnet.
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 218 -
Skin conductance level (SC)
relation with arousal (%Sa)
6
%
4
2
0
-2 0
2
4
6
8
10
Arousal
Abbildung 52: Kovariation zwischen Arousal und Hautleitfähigkeit SC (%Sa). (Mittelwerte und SEM). Linear R (Pearson)=0.799. Ähnliche Werte wurden für %Sb und %S
erhalten.
%
Skin conductance variability (SCV)
relation with arousal (%S)
120
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
Arousal
Abbildung 53: Kovariation zwischen Arousal und Variabilität der Hautleitfähigkeit
SCV (%S). (Mittelwerte und SEM). Linear R (Pearson)=0.767.
I N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 219 -
Heart rate variability (HRV)
relation with arousal (%S)
20
%
10
0
-10
-20
-30
0
2
4
6
8
10
Arousal
Abbildung 54: Kovariation zwischen Arousal und HRV (%S) Mittelwerte und SEM.
Quadratisches R2=0.805.
8.3.6.3 Dominanz
Es wurde keine Beziehung zwischen der affektiven Dominanz Einstufung
und der Hautleitfähigkeit und der Herzrate gefunden.
8.4 Diskussion
Die Hauptfunde dieser Untersuchung beziehen sich auf die Persönlichkeitsvariable Extraversion, sowie auf die Beziehungen zwischen den affektiven
Dimensionen und den physiologischen Parametern. Die extravertierten Versuchspersonen verglichen mit den neutralen und v.a. mit den introvertierten
sind gekennzeichnet durch eine allgemeine Verschiebung der Atemantwort
gegen langsamere und tiefere Atmung. Dieser Unterschied beeinflusst jedoch nicht die Abhängigkeit von den Gefühlsdimensionen: Zwischen den
drei Extraversionsgruppen bestehen keine Unterschiede in den Beziehungen zwischen affektiven Einschätzungen und (Atem)-parametern. Folgende
klare Beziehungen zwischen affektiven Dimensionen und Atemparametern
wurden gefunden: Die Inspirationszeit Ti nimmt linear mit steigendem Arousal ab und mit steigender Valenz zu, d.h. Ti ist am kleinsten bei ganz unangenehmen und stark erregenden Bildern, und am grössten bei ganz angeI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
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nehmen und besonders beruhigenden Bildern. Der Inspirationsfluss Vi/Ti,
hauptsächlich bedingt durch das Verhalten der Inspirationszeit Ti, nimmt mit
steigendem Arousal linear zu und nimmt mit steigender Valenz und Dominanz ab; d.h. Vi/Ti ist am grössten bei ganz unangenehmen und stark erregenden Bildern, und am kleinsten bei ganz angenehmen und besonders beruhigenden Bildern. Das Inspirations-volumen Vi ist am grössten bei Bildern
mit tiefer Valenz und Dominanz, nimmt dann bei neutralen Bildern ab um bei
Bildern mit hoher Valenz und Dominanz wieder leicht erhöht zu sein. Diese
quadratische Beziehung ist jedoch nur bei den ersten Atemzügen und nur
bei etwa der Hälfte der Probanden zu beobachten.
Die subjektive Einschätzung der Bildserien durch unsere Versuchspersonen
korrespondierte gut mit den erwarteten, basierend auf den publizierten (IAPS
1995), Einschätzungen. Der Bereich mit tiefer Valenz und tiefem Arousal
konnte nicht wie gewünscht abgedeckt werden (Bildserie 6). Dies entspricht
unserer subjektiven Erfahrung, dass höchst unangenehme Bilder meist auch
sehr erregend sind und wurde von verschiedenen Autoren schon festgestellt
(Lang et al 1997, Hamm und Vaitl 1993, Greenwald et al 1989). Frauen und
Männer zeigten eine etwas andere Einschätzung der Bildstimuli. Die Männer
stuften die Bilder als angenehmer und dominierender ein als die weiblichen
Versuchspersonen. Die Frauen fühlten sich etwas erregter als die Männer,
dies erreichte jedoch keine Signifikanz. Ein Vergleich mit den normativen
IAPS Einschätzungen (IAPS 1995) zeigte, dass diese Differenzen auch in
der viel grösseren Stichprobe vorhanden sind, wobei die Unterschiede in
unserer Studie deutlicher hervortraten. Nicht nur die affektive Einschätzung
ist
verschieden,
auch
die
physiologischen
Parameter
zeigen
ge-
schlechtsspezifische Unterschiede. So steigerten die Frauen während den
meisten Bildserien das Vi , daraus resultierte, dass die Zunahme des Inhalationsflusses grösser war als bei den Männern während dem Bilder Anschauen. Dasselbe Verhalten beim Betrachten der Bilder wurde auch für die Herzrate festgestellt. Auch die Variabilität der Herzrate verhielt sich anders; während die Männer eine allgemeine Abnahme aufwiesen, zeigten die Frauen
eine deutliche quadratische Abhängigkeit von der Erregungseinschätzung.
Zusammengenommen weist dies darauf hin, dass jedenfalls im westlichen
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Danuser
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Kulturkreis das Geschlecht einen Einfluss auf die affektive Einschätzung von
Bildern und auf die Intensität der physiologischen Reaktionen ausübt.
Zusätzlich zum Geschlecht zeigte die Persönlichkeitsvariable Extraversion
einen Einfluss auf die Atemparameter. Erstens wiesen die Extravertierten in
den Pausen eine andere, nämlich flachere, Atmung (kleineres Vi) auf. Dass
Persönlichkeitsvariablen einen Einfluss auf die Ruheatmung haben, wurde
schon von Wientjes et al (1986) gezeigt. Er fand, dass Extraversion negativ
mit der Minutenventilation und positiv mit dem CO2 Level korreliert. Insbesondere aber bei den Atemantworten auf die gezeigten Bilder unterschieden
sich die Extravertierten deutlich von den übrigen Versuchspersonen. Keine
Abhängigkeit von Extraversion wurde hingegen für Herzrate und Hautleitfähigkeit und auch nicht für die affektiven Einschätzungen beobachtet.
Die Extravertierten verlängerten Ti unter tiefem Arousal, wogegen die Neutralen und Introvertierten Ti schon bei tiefem Arousal etwas verkürzten. Mit
zunehmendem Arousal verkürzten die Extrovertierten Ti ebenfalls, d.h. die
generelle Richtung der Abhängigkeit von Ti mit der Erregung war gleich,
wenn auch auf einem anderen Niveau (Shift). Die Extravertierten zeigten
ebenfalls die Tendenz zu grösseren Atemvolumen als die anderen beiden
Gruppen. Was den Inspirationsfluss (Vi/Ti) und die subjektive Einschätzung
der
Erregung
betrifft,
unterschieden
sich
die
verschiedenen
Per-
sönlichkeitstypen allerdings nicht voneinander. Obwohl eine Aktivierung
stattfand, scheinen die extravertierten Personen ihre Atemantwort auf den
äusseren Stimulus und dessen Verarbeitung ausgerichtet zu haben, während die Neutralen und Introvertierten Ti auf ihre ‚innere’ Erregung ausrichteten. Lehmann (1914) stiess auf ein ähnliches Verhalten, wie wir es bei den
Extravertierten festgestellt haben, wenn sich die Versuchspersonen vollständig einem Affekt hingaben. Dies entspricht der Beschreibung der Typen
nach C.G Jung (1960), der festhält, dass Extravertierte ihr Erleben und Handeln vorrangig an der Aussenwelt orientieren und sich den äusseren Reizen
– jedenfalls kurzfristig – völlig hingeben würden und er interpretiert dies als
Folge einer herabgesetzten Hemmungskontrolle.
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wiss. Arbeit
- 222 -
Durch empirische Betrachtungen, sowie durch einatmungsabhängige Einprägungsübungen kommt Neubeck (1992) zur Annahme, dass die Einatmung die Stimulusaufnahme begünstigt. Auch moderne Atemtherapien (z.B.
Mittendorf) gehen davon aus, dass Einatmung und Wahrnehmung äusserer
Reize miteinander verknüpft sind. Gallego et al (1991) zeigten, dass bei vorgegebener, willentlich kontrollierter Atmungsrate die mentale Leistung beeinflusst war. Sie konnten zeigen, dass bei vorgegebener Atemfrequenz der
Zeitpunkt der Stimulus Präsentation wichtig wurde. Fiel der Stimulus genau
zwischen der In- und Exspiration war der Effekt (Verlängerung der Reaktionszeit) - am grössten. Gemäss Eysenck (1970) wollen Extravertierte von
aussen stimuliert werden. Die Verlängerung der Inspirationszeit wie sie hier
festgestellt wurde unterstützt die Annahme von Neubeck (1992), dass die
Einatmung in Beziehung zur Stimulusaufnahme steht und impliziert zusätzlich, dass über die Dauer der Einatmung die Stimulusaufnahme reguliert
werden könnte. Wir interpretieren die langsamere und tiefere Atmung der
Extravertierten im Vergleich zu den Neutralen und v.a. Introvertierten beim
Bilder
Anschauen
als
physiologische
Äusserung
der
Aussenwelt-
Orientierung der extravertierten Menschen.
In Übereinstimmung mit Saunders et al (1972) schliessen wir aus dieser Untersuchung, dass die Atemantwort durch die Persönlichkeitsvariable Extraversion beeinflusst wird und Persönlichkeitsvariabeln auch bei anderen Untersuchung von Atemantworten mit in Betracht gezogen werden müssen.
Zwischen der Valenz Dimension und der Dominanz Dimension wurde eine
hohe Interkorrelation gefunden. Auch Hamm und Vaitl (1993) beschreiben
dies obwohl in ihrer Studie eine grössere Anzahl verschiedener Bilder gebraucht wurden und damit ein grösserer affektiver Raum abgedeckt war als
in unserer Untersuchung. Mittels Faktorenanlyse wurde gezeigt, dass die
Dominanz Dimension nur einen geringen eigenständigen Varianzanteil der
Eindruckseinschätzungen erklärt (Hamm und Vaitl 1993). Schon verschiedentlich wurde auf die Schwierigkeit der konsistenten Identifizierung
einer dritten Dimension – neben Valenz und Arousal - verwiesen (Russell
1979, 1980, Storm und Storm 1987). Eine mögliche Erklärung dafür ist der
nicht
handlungsorientierte
Kontext
der
Bildpräsentation.
Dominanz-
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Danuser
- 223 -
empfindung steht nach Russel (1980) eher mit den Konsequenzen von Emotionen in Verbindung als mit den Emotionen selbst. Das statische Betrachten
der Bilder ohne grossen Handlungsspielraum scheint wenig geeignet zu sein
submissive oder dominante Zustände zu erleben. Wir werden darum in der
weiteren Diskussion v.a. auf Arousal und Valenz eingehen, obwohl die Analyse der Atemparameter zeigte, dass ins-besondere Ti (erste 15sec), Te und
Ttot eine Beziehung mit der Dominanz Dimension, nicht aber mit der Valenz
Dimension haben könnten. Zwischen Arousal und Valenz konnte keine relevante Interkorrelation gefunden werden, wie dies üblicherweise mit dem grafischen Differential (SAM) festgestellt wird (z.B. Hamm und Vaitl 1993). Wir
führen dies auf unsere selektive Stimulusauswahl zurück, die sich an den
bekannten Einschätzungen der eingesetzten Bilder orientierte.
Die Beziehung zwischen der subjektiven affektiven Erregungseinschätzung
(Arousal) zeigt einen ganz klaren negativen linearen Zusammenhang mit
den Zeitparametern. Je höher die subjektive Erregung eingestuft wird, desto
kurzer wird Ti, sowie Ttot. Dies entspricht den punktweisen früheren Befunden und Interpretationen von Wientjes (1993) und Boiten et al (1994), wurde
aber noch nie in direkter Abhängigkeit gezeigt. Zusätzlich wurde das durch
äussere Reize induzierte Arousal in Abhängigkeit von Persönlichkeitsvariabeln durch die Zeitparameter der Atmung ausgedrückt. So schreibt Artaud:
„Or les temps du souffle....; c’est eux qui donnent au coeur humain sa
forme...’. (1964)..
Der Inhaltionsfluss steht in linearer Beziehung zu beiden Hauptkomponenten
der affektiven Einschätzung: Arousal und Valenz. Je höher das Arousal desto höher der Inhalationsfluss, je höher die Valenz, desto tiefer ist der Inhalationsfluss. Die Beziehung des Inhaltionsflusses zu Arousal ist eindeutig
durch die Verkürzung von Ti mit zunehmendem Arousal bedingt. Die Beziehung von Vi/Ti mit Valenz ist v.a. deutlich in der zweiten Phase (%Sb) der
Bilderpräsentation, was auch für die lineare Bezieheung zwischen Valenz
und Ti gilt. Die Abhängigkeiten von Vi/Ti und Ti basieren also nicht auf der
ersten Einschätzung des Stimulus sondern reflektieren mehr den strategischen Umgang mit den Bildern. Wurde ein Stimulus als angenehm erkannt
und eingeschätzt begangen die Versuchspersonen länger und mit kleinerer
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wiss. Arbeit
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Flussrate einzuatmen, wurde ein Stimulus als unangenehm eingeschätzt,
wurde kurz und mit grosser Flussrate eingeatmet: Je erregter, je unangenehmer, je dominierender eine Situation empfunden wird, desto höher liegt
der Inhalationsfluss.
Die quadratische Beziehung von Vi mit Valenz wurde im Gegensatz zu Ti
und Vi/Ti in den ersten 15 Sekunden sichtbar. Bei den Stimuli die sehr unangenehm eingeschätzt wurden, war die Einatmung tief, das Vi vergrössert,
bei sehr angenehmen Bildern wurde das Vi wiederum auch etwas vertieft.
Wobei zu bemerken ist, dass bei der als angenehm und erregend eingestuften Bildserie, die sexuelle Bilder und sportliche Aktivitäten zeigte, Vi in den
ersten 15 Sekunden deutlich abnahm (im Schnitt um 10%)., was darauf hinweist, dass Bilder nicht alleine durch die Emotionsdimensionen beschrieben
werden können. Insbesondere die Auswirkungen auf physiologische Parameter ist auch von anderen Kriterien, wie z.B. dynamisch - statisch mitgeprägt. Auch die Persönlichkeitsvariable Extraversion zeigte einen Einlfuss
auf das Vi, indem die Extravertierten ein flacheres Vi verglichen mit den übrigen Versuchspersonen in den Pausen aufwiesen und Vi während dem Bilderanschauen insgesamt stärker steigerten.
Zustände grosser Entspannung sind verknüpft mit einem grossen Vi
(Grossmann 1983). Ganz deutlich wird das auch im Non-Rem Schlaf IV, wo
eine langsame tiefe regelmässige Atmung vorherrscht (Snyder und Scott
1972, Douglas et al 1982). Wenn sich Versuchspersonen emotionale Situationen vorstellten, fand Rehwoldt (1911) bei der Vorstellung von Wut und
Angst eine Zunahme der Frequenz und des Atemvolumens. Walker et al
(1997) stellten bei Versuchspersonen die Passiv-Rauch exponiert wurden im
Vergleich zu einer Kontroll Exposition eine Vertiefung von Vi fest und dies
wurde von Danuser (2001) als emotionales Coping interpretiert. Wenn wir
uns durch externe Faktoren unangenehm berührt fühlen könnte eine Vertiefung der Atmung uns beruhigen, besänftigen und die Situation erträglicher
machen, da ein hohes Vi sonst in entspannten Zuständen vorherrscht. Diese
Befunde deuten auch auf eine quadratische Beziehung von Vi mit Stimulus
Valenz hin. Boiten et al (1994) in ihrem exellentem Review über Emotionen
und Atmung meinen:‚ Hence, it seems that variations in depth during rapid
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Danuser
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breathing correspond with different points on a inhibition-excitation continuum, which may be more or less equivalent to a continuum extending from
behavioural control to loss of control’. Eine klare Beziehungen zwischen der
Aktivität der Corrugator- und der Zygomaticus-Muskel mit den Valenzbeurteilungen wurden mehrmals gezeigt (Greenwald et al 1989; Lang et al 1993;
Hamm & Vaitl 1993). Die Aktivität des Corrugators ist bei negativen Reizen
am grössten und bei ganz angenehmen Stimuli am niedrigsten (negative
lineare Beziehung). Der Zygomaticus zeigt hingegen eine quadratische Beziehung zur Valenz: Für angenehme Bildern ist dessen Aktivität am höchsten, am niedrigsten für eher neutrale Stimuli, und ein wenig erhöht wieder
bei tiefster Valenz.. Die Gesichtsnerven haben ihren Ursprung in der Medulla
oblongata wo sich das Atemzentrum befindet. Einige Studien deuten darauf
hin, dass die Aktivität der Gesichtsmuskel und die der Atmung eng miteinander gekoppelt sind (z.B. Ritz 1996, Porges 1994). Wenn man die Kurven der
Beziehungen Valenz-Corrugator und Valenz-Zygomaticus aufeinander legt,
erhält man eine Kurve, die sehr gut der entspricht, die für das Atemvolumen
Vi in dieser Studie gefunden wurde nämlich höchste Werte bei tiefster Valenz, tiefste Werte bei neutraler Valenz und leicht erhöhte Werte bei höchster Valenz. Zu bemerken ist, dass diese quadratische Beziehung von Vi zur
Valenz nicht bei der Mehrheit der Versuchspersonen zu finden war und dass
eine kleinere Gruppe sogar die Tendenz zu einer entgegengesetzter Beziehung zeigte. Diese beiden Antwortmuster waren jedoch nicht mit Sex und
Extraversion gekoppelt. Diese Befunde zeigen, dass möglicherweise mehr
als eine einzige Reaktionsweise existieren kann.
Das Verhalten der Hautleitfähigkeit (SC) sowie ihrer Variabilität (SCV) inbezug auf die Korrelation mit dem Arousal bestätigt frühere Befunde (Lang et al
1993, Greenwald et al 1989), wobei auch quadratische Beziehungen (Hamm
und Vaitl 1993, Bradley et al 1994) festgestellt wurden. Je höher die Erregungseinstufung desto grösser ist die Hautleitfähigkeit. Die Herzrate dagegen differenzierte weder über die Bildserien, noch konnte eine Beziehung
zwischen den subjektiven affektiven Einschätzungen gefunden werden. Dies
steht klar im Widerspruch zu früheren Befunden, in denen eine Beziehung
der Herzrate mit der Valenz festgestellt wurde (Lang et al 1993, Bradley et al
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wiss. Arbeit
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1994, Greenwald et al 1989). Wir führen diesen Unterschied auf die unterschiedlichen Analyse Zeitfenster zurück. In den erwähnten Studien wurde
die Herzrate über die 6 Sekunden ausgewertet, in denen ein Bild präsentiert
wurde, wir hingegen betrachteten die Mediane von 15 Sekunden dauernden
Zeitperioden. Lang et al (1990) argumentiert, dass die Abnahme der Herzrate, wie sie bei unangenehmen Bildern gefunden wurde eine Orientierungsreaktion darstellt. Wir präsentierten 5 Bilder mit ähnlichen Arousal und Valenz Einstufungen hintereinander und könnten damit theoretisch 5 x eine
Orientierungsaktivität ausgelöst haben, wobei zusätzlich ein Habituationseffekt auftreten sollte. Dies macht es höchst unwahrscheinlich, dass wir die
schnell einsetzende und sich rasch normalisierende Herzraten-Antwort erfassen konnten. Es besagt aber, dass die Bilder keine tonische Auswirkung
auf die Herzfrequenz ausübten.
Einzig für die Variabilität der Herzrate wurde eine allgemeine Verringerung
derselben beim Bilderanschauen verglichen mit den Pausen gefunden. Zusätzlich zeigte die Variabilität der Herzrate eine quadratische Beziehung mit
dem Arousal, wobei bei tiefen bis mittleren Arousal Einstufungen die Variabilität deutlich verringert ist und mit den höheren Einstufungen zum Pausenwert ansteigt. Dies kann bei den höheren Arousalwerten auf die gefundene
Verkürzung von Ti zurückgeführt werden, da das Rhythmuszentrum der Atmung in der Medulla oblongata die neurovegetative Beeinflussung auf das
Herz mediiert (z.B. Porges 1994, Klinke und Silbernagl 1994, S. 699-700).
So fanden Porges und Bohrer (1990), dass der Atemrhythmus hoch mit der
HRV korrelierte. Es erklärt aber nicht das Verhalten der HRV bei den wenig
erregenden Bildern. Es ist bekannt, dass unter aufmerksamkeitsfordernden
Aufgaben oder Bedingungen die HRV abnimmt (Porges 1972, Porges und
Raskin 1969, Richards und Casey 1991), so könnten die Abnahme der HRV
bei den wenig erregenden Bildern das aufmerksame Betrachten der Bilder
repräsentieren.
Beim Betrachten des Verhaltens der verschiedenen Atemparameter für jede
einzelne Bildserie konnten unterschiedliche Muster sowie unterschiedliche
Abfolgen beobachtet werden, die nahe legen, dass die physiolgischen Antworten eine Emotions-Spezifität aufweisen. Diese Untersuchung wurde priI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
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mär um das affektive Dimensionsmodell angelegt und zielte nicht darauf zu
überprüfen, ob Gefühle spezifische Atemmuster hervorufen, wie dies Bloch
et al (1991), Santibanez und Bloch (1986), Levenson et al (1990) und Feleky
(1914) versucht haben. Weder stützt diese Untersuchung noch stellt sie diese Forschungsrichtung in Frage, sie zeigt aber deutlich, dass das affektive
Dimensionsmodell doch einen grossen Teil der Atemantwort erklären kann.
Dieses Modell wurde gewählt, da wir ein bestehendes und operationalisierbares Modell brauchten, was durch die Arbeiten der Gruppe Lang gegeben
war. Das Dimensionsmodell ist auch in grossen Teilen kompatible mit dem
Response-requirement Modell (Boiten et al 1994, Lang et al 1997).
I N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 228 -
9 Integration der Resultate in den Stand des
heutigen Wissens
9.1 Konzeption der mentalen Arbeit
Die Untersuchungen, in denen mentale Arbeit zu leisten war, zeigen auf,
dass diese Art von Arbeit nicht nur die Atmung und die Herzfrequenz verändert, sondern auch die Selbsteinschätzung der Probanden hinsichtlich ihres
subjektiven Befindens und ihrer Beanspruchung beeinflusst. Die Versuchspersonen betonten nachdrücklich, dass sie von den diversen mentalen Aufgaben in unterschiedlichem Masse in Anspruch genommen wurden. Aus
dem Experiment II mit den unterschiedlichen kognitiven/motorischen Anforderungen ist klar ersichtlich, dass diejenigen Aufgaben, die mit starkem subjektivem Engagement, d.h. unter hohem Aufwand gelöst wurden, die Probanden auch am stärksten in Anspruch nahmen und von ihnen dementsprechend eingestuft wurden. Dies deckt sich durchaus mit unserer Vorstellung
in bezug auf die Konzeption der Beanspruchung, die auf Schwierigkeit und
Anstrengung durch mentale Arbeit zurückzuführen ist. Das investierte Engagement war von der Aufgabenstellung abhängig – ein Phänomen, das auch
aus der Aufmerksamkeitsforschung bekannt ist. Es ist die Aufgabe, welche
die Aufmerksamkeit reguliert. Der arbeitende Mensch investiert seinen Aufwand von Moment zu Moment, wobei der Stimulus, der die Leistung hervorruft, antizipierend oder auch in Form von Feedback eingreifen kann. Gemäss
Richter und Hacker (1997) hat eine Aufwandsteigerung Auswirkung auf die
Erregung oder das Arousal3. Wie wir jedoch auf Grund der Regel von Yerkes-Dodson (1908) wissen, weist die Erregung ein Aufgaben-Optimum auf.
Wenn nun die Erregung dieses Optimum übersteigt, so nimmt die Leistung
wieder ab. Also erweist sich eine Steigerung der Erregung nur dann als
sinnvoll, wenn sich die zu stimulierende Person in einem Status unterhalb
dieses Optimums befindet; ansonsten ist eine weitere Steigerung der Erre-
3
Aktivierung, Erregung und Arousal werden im weiteren als Synonyme verwendet.
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Danuser
- 229 -
gung kontraproduktiv. Mentaler Aufwand erschöpft sich demzufolge nicht
einfach in Erregung oder Aktivierung. Was aber ist letztlich unter Aufwand zu
verstehen? Was bedeutet Erregung und was führt zu Beanspruchung?
9.1.1 Aufwand und Aufmerksamkeit
Die Untersuchung von Easterbrook (1959) – die im übrigen die YerkesDodson-Regel bestätigte - verwendete als Indikator die Merkmalselektion,
eine klassische Funktion der Aufmerksamkeit. Easterbrook versteht Erregung (Arousal) insofern als Funktion der Merkmalselektion, als eine zunehmende Erregung den Bereich, der vom kognitiven System berücksichtigten
Umweltreize progressiv reduziert. Erregung bewirkt eine zunehmende Selektion der Aufmerksamkeit.
Was aber ist, oder vielleicht besser, was bewirkt Aufmerksamkeit? Gemäss
Styles (1997) dient Aufmerksamkeit der Stimulus Selektion für die Erkennung eines Objektes, der Stimulus Selektion für die Gestalt-Integration, für
die Selektion einer Handlung sowie für das Erinnern. Vor einem halben
Jahrhundert realisierte man, dass eine Unzahl von Informationen von unseren Sinnen aufgenommen werden, aber nur wenige davon beantwortet werden. Eine erste Erklärung dafür gab Broadbent (1958), indem er annahm,
dass nur einer beschränkten Anzahl der Informationen Zugang zu höheren
verarbeitenden Zentren in unserem Gehirn gewährt werden, indem ein Filter
vorgeschaltet sei. Bald aber wurde klar, dass einerseits auch Aufgaben irrelevante Information verarbeitet wird und unser Verhalten modifizieren kann
(Moray 1959, Wood und Cowan 1995). Andererseits dass, nicht nur die physikalischen Eigenschaften von Aufgaben relevanten Objekten, sondern auch
sogenannt höhere Repräsentationen von konzeptionellen und semantischen
Eigenschaften aktiviert werden. Wir wissen heute, dass das Gehirn Informationen codiert durch den Gebrauch von verschiedenen Verarbeitungssystemen. Diese Spezialisierung wurde experimentell neurophysiologisch bei
normalen Personen sowie auch durch die Analyse von Verhaltensänderungen nach lokalisierten Gehirnschädigungen gezeigt. Während jedes spezialisierte Verarbeitungssystem sehr wahrscheinlich Kapazitätsgrenzen aufI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
wiss. Arbeit
- 230 -
weist, gibt es keine Anhaltspunkte für eine generelle Limitierung der Verarbeitungskapazität unseres Gehirnes. Damit wurde das Aufmerksamkeitsproblem re-definiert: Bei der gegebenen Menge an Informationen die gleichzeitig in verschiedenen Teilen unseres Gehirnes zur Verfügung stehen, wie
wird das alles kombiniert und kontrolliert? Oder anders gesagt wie kann ein
Reiz- Set unter einer bestimmten Voraussetzung die Handlung X kontrollieren, unter einer anderen Voraussetzung die Handlung Y? Kahneman (1973)
verknüpft Aufmerksamkeit mit einer limitierten Ressource, die flexibel verschoben werden kann, wenn der menschliche Operator seine ZuweisungsPolitik von Moment zu Moment ändert. Er integriert in seiner Theorie auch
Dispositionen, momentane Absichten und evaluative Entscheidungsprozesse. Deutsch und Deutsch (1963) vermuteten schon 1963, dass hereinkommende Signale nach ihrer Wichtigkeit gewogen und verglichen werden, um
das unter den gegebenen Voraussetzungen wesentliche Signal zu bestimmen, das Signal, das den höchsten Aktivierungsgrad aufweist wird eine
Antwort auslösen. 1949 schlug Hebb (1949) vor, dass Informationen in Zellverbänden ‚cell assemblies’ codiert werden. Der Vorteil der Informationscodierung in Zellverbänden ist, dass individuelle Zellen (Neurone) zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Repräsentationen teilnehmen können und
die neuronale Antwort eines individuellen Neurons vom Kontext, in dem das
Neuron aktiv ist, abhängt. Singer (1994) meint, dass die Aktivität von verteilten Neuronen synchronisiert werden muss um Einfluss auszuüben, weil nur
kohärente Aktivität die Chance der Weiterverarbeitung besitzt. Die Idee des
Zusammengehörens (Binding) durch synchrone Entladungen wurde als
möglicher zugrundeliegender Mechanismus für die Integration verschiedener
Sinnes-Modalitäten (Damasio 1990), der Aufmerksamkeit (Crick 1984) sowie
des Bewusstseins (Crick und Koch 1990) vorgeschlagen. Singer (1994)
meint, dass Zellverbände die fähig sind Aufmerksamkeit auf sich zu ziehen,
hoch kohärente Entladungen aufweisen. Dies kann die ‚bottom-up’ Auswirkungen von Reizen erklären (sog. automatische Verarbeitung: z.B. die
schlechten Gerüche waren fähig wahrscheinlich über eine Verstärkung aus
den emotionalen Hirnstrukturen (limbisches System, Amygdala) eine Synchronisierung von Zellverbänden im geruchsverarbeitenden System auszulösen und so die Aufmerksamkeit auf sich zu ziehen), erklärt aber nicht soI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 231 -
genannte top-down Auswirkungen; . Es erklärt nicht die Auswirkungen der
Motivation oder der Anweisungen des Experimentators.
Anhand von Blutflussmessungen im Gehirn schloss Roland 1985; ‚the brain
seems to prepare the cortical fields expected to be needed for a task’. Für
Roland (1995) impliziert die Kontrolle der Aufmerksamkeit, dass das Gehirn
eine spezifische Organisation von verschieden scharf eingestellten (tuned)
Feldern und Arealen unterhält. Duncan (1986, 1993) betont die Wichtigkeit
von Zielen für die Selektion von Information und für das Verhalten. Er beschreibt dies als Prozess, der den passenden Input für die aktuelle Aufmerksamkeitsschablone sucht und diese spezifiziert, welche Infor-mationen gebraucht werden.
Mentaler Aufwand hat also gewiss etwas mit Aufmerksamkeit zu tun. Aufmerksamkeit wurde als Funktion der Perfomance-Ressourcen definiert
(Nomran und Bobrow 1975). Wickens (1984) führte den Begriff der mentalen
Ressourcen für Aufmerksamkeit, Effort und mentale Kapazität ein. Die hier
vertretene Meinung ist, dass mentaler Aufwand Aufmerksamkeit bedeutet.
Aufmerksamkeit mag noch kein einheitlich definiertes Konzept darstellen, ist
aber intuitiv zugänglich, im Gegensatz zu mentalem Aufwand.
Schon 1986 betonte Öhman, dass heutige Arbeitsaufgaben, sowie ihre Umgebung ‚man-made’ sind und sich erst in den letzten 200 Jahren entwickelt
haben und, dass wenn man das Verhalten des Menschen verstehen will, die
evolutionären Prozesse zu berücksichtigen sind. Lang et al (1997) führte
den Begriff der motivierten Aufmerksamkeit ein für die Beschreibung der natürlichen selektiven Aufmerksamkeit. Er zeigt auf, dass die natürliche selektive Aufmerksamkeit abhängig ist vom Kontext sowie von der Wichtigkeit des
Reizes für das Individuum, im speziellen für das Überleben des Individuums:
‚Attention is more likely to be sustained by stimuli that have motivational
significance, compared to routine, affective neutral events’ (Lang et al 1997).
Emotionen können als Handlungs- Dispositionen verstanden werden (Lang
1997) und auf zwei Grundmotive; Aversion und Attraktion zurückgeführt
werden (Konorski 1967, Dickinson und Dearing 1979). Der äussere Stimulus
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wiss. Arbeit
- 232 -
wird gemäss seiner motivationalen/emotionalen Wichtigkeit eingestuft und
nur wichtige Reize ziehen die Aufmerksamkeit auf sich. Für die natürliche
selektive Aufmerksamkeit ist diese motivationale Steuerung gut einsehbar
und konnte auch für den Paradefall der Orientierungsreaktion verschiedentlich nachgewiesen werden (siehe Experiment III mit den Gerüchen oder
Bernstein 1969, 1979, Maltzman 1977, Näätanen 1979, Ben-Shakhar et al
1995) und stimmt überein mit der Aufmerksamkeits-Konzeption von Deutsch
und Deutsch (1963). Signifikanz in der natürlichen selektiven Aufmerksamkeit ist exklusiv Stimulus oder ‚Data’ getrieben, heute verwendet man dafür
auch den Begriff ‚bottom-up’ und dies ist ein Charakteristikum von automatischen Verarbeitungsprozessen. Automatische Prozesse beschränken sich
nicht auf biologisch vorgegebene Mechanismen, sondern sind v.a. gelernte
Antwortmechanismen (Posner und Snyder 1975).
Wie steht es aber mit ‚top-down’ getriebener Aufmerksamkeit? Sind wir nicht
aufmerksamer, wenn wir wissen, dass der Vortrag für unsere Arbeit oder die
nächste Prüfung relevant ist? Werden verschiedene Aufgaben nicht auch mit
emotionalen Begriffen versehen, wie eine ‚unangenehme Aufgabe’, eine
‚lästige Aufgabe’ oder eine ‚angenehme Pflicht’? Gemäss Lazarus und Avrill
(1972) entstehen Emotionen im Kontext der kontinuierlichen Transaktion
zwischen Individuum und Umwelt. Um ein kohärentes Verhalten aufrechtzuerhalten oder zu garantieren, müssen aus der Unzahl von zur Verfügung
stehenden Informationen gewisse ausgewählt und kombiniert, andere aber
auch ignoriert werden. Allport (1987) versteht unter Aufmerksamkeit ein ‚ensemble of mechanisms’, die dem Gehirn erlaubt mit dem Problem der Selektion umzugehen, wobei die Limitierung der Aufmerksamkeit dazu dient kohärentes Verhalten zu ermöglichen. Stimuli, die das Verhalten nicht kontrollieren, werden somit unterdrückt. Diese Unterdrückung spielt sich auf verschiedenen Stufen der Stimulus-Repräsentation ab und ist von der zu erfüllenden Aufgabe abhängig (Tipper et al 1990). Bei visuellen und auditiven
Stimuli wurden aber auch Synergie-Effekte nachgewiesen (Driver und Spence 1994), was suggeriert, dass insbesondere die räumliche Aufmerksamkeit
gleichzeitig von verschiedenen Modalitäten beeinflusst wird. Anders gesagt:
Um kohärentes, in Übereinstimmung mit unseren inneren Zielen und äusseI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
Danuser
- 233 -
ren Anforderungen stehendes Verhalten zu gewährleisten verändern und
modifizieren wir die Aufmerksamkeit. Die eigentliche Determinante der Aufmerksamkeits-Kontrolle muss die innere Zielliste sein. Handlungen werden
nämlich nicht nur durch das Aktivieren spezieller Schemata - eines StimulusSet oder eines Codes – hervorgerufen, sondern auch über die Aktivierung
von Zielen. Das Ziel, das der Experimentator den Versuchspersonen vorgibt,
wird also gleich in deren innere Zielliste integriert und kann bereits bei diesem Vorgang modifiziert werden; d.h. es wird derart integriert, dass es die
prioritären Langzeitziele nicht gefährdet. Bereits für die Selektion des Inputs
zuhanden des Informationsverarbeitungs-Systems und vor allem für die
Steuerung des Verhaltens erweisen sich Ziele als überaus wichtig (Duncan
1986, 1993). Die Zielliste entspricht in ihren Funktionen und Auswirkungen
den ‚inneren Zielvorgaben’ in Hockeys (1997) mental Effort-Modell. Aufmerksamkeit ist also abhängig von unseren inneren Zielen und den äusseren Gegebenheiten, von unserer konzeptionellen Struktur und den Umgebungs-Daten. Die konzeptionelle Struktur eines Individuums ist ein Schlüsselfaktor im Verstehen, welche Situationen Emotionen auslösen (Lazarus et
al 1980). Ja, Emotionen entstehen häufig im Kontext zwischen ‚data-driven’
und konzeptionell-getriebener Informationsverarbeitung (Öhman 1986). Becker (1995) unterteilt die Emotionen in ‚angeborene’ und ‚erworbene’ ein.
Entsprechend eines Regelkreisprinzips existieren Soll- und Istwerte im System. Sind Soll- und Istwerte nicht identisch, entstehen Diskrepanzen, die zu
spezifischen Emotionen führen. Sollwerte werden dabei aus angeborenen
Bedürfnissen oder im System erworbener Erwartungen oder Normwerte bereitgestellt und mit den Istwerten verglichen. Bei auftretenden Diskrepanzen
treten Emotionen auf, deren Stärke abhängig ist von der Grösse der Ist-SollDiskrepanz, der Schnelligkeit der Veränderung der Diskrepanz und der persönlichen Bedeutung der Diskrepanz. Emotionen besitzen demzufolge eine
energetische Funktion. Die Aufmerksamkeit dient also der Gewährleistung
eines kohärenten Verhaltens im Kontext zwischen unseren Langzeitzielen
und den aktuellen Anforderungen, das Match-Missmatch Verhältnis resultiert
in Emotionen und definiert unsere Motivation für eine Aufgabe. Aufmerksamkeit würde demnach durch die emotional definierte Motivation gesteuert.
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9.1.2 Die Handlung und Handlungsausführung
Mentale Aufgaben erfordern eine Aktion. Neuman (p375, 1987) definiert den
Begriff Handlung oder Aktion als eine Sequenz von Bewegungen, die von
derselben internen Kontrollstruktur koordiniert wird und die demnach nicht
reflexartig abläuft. Handlungen werden durch erworbene Fähigkeiten kontrolliert; die als Schemata oder Aktionsprogramme (Rasmussen 1981, Hacker
1973, 1978) im Langzeitgedächtnis gespeichert sind und abgerufen bzw.
eingesetzt werden können um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Die Bewegungen – des Mundes beim Sprechen oder auch der Extremitäten u.a. - sind
demnach als Teil der Handlung und in diesem Sinne als Bestandteil der
mentalen Aufgabe zu verstehen.
Bei einer Handlung ist als Erstes der Effektor auszuwählen. Um für die jeweilige Handlung eine effiziente Effektor-Wahl treffen zu können, ist die Integration der Wahrnehmung wesentlich, wie dies Allport (1987) betont. Angenommen, die wichtigen zusammengehörigen Attribute seien integriert,
stellt sich für das verarbeitende System das nächste Problem: nämlich sicherzustellen, dass die anderen möglichen Handlungen unterbunden werden um Interferenzen zu vermeiden. Neumann (1987) argumentiert, dass
dies durch Blockierungen geschehe. Wie nun aber Blockierungen ein- oder
ausgeschaltet werden, bleibt dabei unklar. Wir wissen allerdings, dass Objekte, die zur Kontrolle einer Handlung ausser Betracht gelassen wurden, in
der Folge nicht mehr wahrgenommen werden. Diese Inhibition manifestiert
sich als negatives Priming oder als eine Verlangsamung der Antwort, v.a.
dann, wenn z.B. inhibierte Objekte im nachfolgenden Aufgabenteil zum Zielobjekt gemacht werden (Tipper 1985, Driver und Baylis 1989). Das Phänomen des negativen Primings suggeriert, dass die Möglichkeit des Ein- und
Ausschaltens eine Inhibition der Wahrnehmungs-Repräsentation potentiell
wichtiger Objekte darstellt. Tipper et al (1994) zeigten auf, dass InhibitionsMechanismen zielabhängig sind und dass eine Inhibition durch unterschiedliche Eigenschaften des Stimulus initiiert werden kann, je nachdem, welche
Eigenschaft des Stimulus jeweils als wichtig erscheint um die Antwort zu
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kontrollieren, aber auch in Abhängigkeit vom Schwierigkeitsgrad der Auswahl.
In der Untersuchung mit den verschiedenen mental-motorischen Aufgaben
fiel die subjektive Einschätzung der Beanspruchung durch die Versuchspersonen beim Kombitest (motorische Anforderung gering) und beim schnellen
Tapping (motorische Anforderung hoch) gleich aus. Die Anforderungen an
die Motorik korrelierten in unseren Untersuchungen mit der Minutenventilation (MV) mit dem Inhalationsfluss Vi/Ti, sowie mit Vi - jedoch nicht mit Ti –
und die Atemveränderungen wurden primär durch eine Erhöhung von Vi und
nicht durch eine Ti-Anpassung repräsentiert. Es zeigte sich im Experiment II
auch, dass Aufmerksamkeit nicht handlungsgebundene muskuläre Anspannung (Tension) induzierte. Insbesondere die Trackingaufgaben und das
schnelle Tapping führte zu hohen Aktivierungen des Trapezius auf der dominanten Seite, sowie einer Mitinervation der kolateralen Seite. Wie beanspruchend eine Aufgabe empfunden wurde, widerspiegelte sich in der Herzrate, in der MV und im Vi, die letzteren beide waren deutlich mit der Motorik
verknüpft. Die subjektive Beanspruchung und die muskuläre Spannung sind
demnach eng miteinander verknüpft und induzieren oder verstärken sich
gegenseitig.
Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die motorische Beanspruchung
mit der mentalen Beanspruchung interagiert, was auch aus den subjektiven
Einschätzungen deutlich hervorging.
Die in der Untersuchung mit den verschiedenen mentalen Aufgaben (Experiment II) eingesetzten motorischen Dimensionen sind in der Arbeitswelt
häufig anzutreffen. Tracking, das eine Muskelausbalancierung sowie Haltearbeit beinhaltet, lässt sich mit der motorischen und kognitiven Anforderung
beim Computer Aided Design (CAD) vergleichen. Das schnelle Tapping,
dass eine schnelle Abfolge von Sequenzen der feinmotorischen Aktivierung/Inhibition darstellt und höchste Dynamik erfordert, entspricht in etwa
dem schnellen Maschinenschreiben. Beim Multitest, der konsistent als am
meisten beanspruchend eingeschätzt wurde, sind zudem beide Hände als
Effektoren involviert. Die gesamt motorische Beanspruchung ist auch deutI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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lich am höchsten bei dieser Aufgabe. Mentale Aufgaben beinhalten Wahrnehmung, Auswahl eines Effektors, eine Handlung sowie eine Handlungskontrolle, auch die letzteren benötigen Aufmerksamkeit. Dies bedeutet, dass
die Beanspruchung durch die Verrichtung an sich in die Betrachtung der
Gesamt-Beanspruchung mit einzubeziehen ist. Es erweist sich demnach als
wenig sinnvoll die motorische Beanspruchung von der Gesamtbeanspruchung abzuziehen und daraus die „reine“ mentale Netto-Beanspruchung
eruieren zu wollen. Die motorische Umsetzung gehört vielmehr implizit zur
Aktion und trägt unweigerlich zur Anspannung des arbeitenden Menschen
bei.
9.1.3 Aufgaben-Kombination und geteilte Aufmerksamkeit
Der Multi-Test, wie er im Geruchs-Experiment (III) sowie im Experiment mit
den verschiedenen mental-motorischen Aufgaben (II) eingesetzt wurde, stellt
eine Mehrfachverrichtung dar. Die Versuchspersonen schätzten den Multitest zwar am beanspruchendsten aber auch am interessantesten ein. Mehrere Dinge gleichzeitig zu verrichten fordert uns und ist interessant, und zwar
ohne dass uns dies a priori übermässig beanspruchen muss – die Beanspruchung liegt doch klar unter der höchst möglichen Einschätzung -. Komplexe Tätigkeiten – und die meisten unserer Tätigkeiten sind in diesem Sinne komplex - können als Mehrfachverrichtungen aufgefasst werden. Kognitive Planung und ausführende manuelle Verrichtungen überlappen sich, kognitive und sensumotorische Verrichtungen werden parallel, d.h. streng
gleichzeitig – oder auch im Wechsel reguliert. Derartige Überlappungen sind
also nicht die Ausnahme, sondern die Regel (Richter und Hacker 1997).
Mehrfachverrichtungen oder sogenannte Dual-Tasks werden experimentell
eingesetzt, um die Inanspruchnahme der mentalen Ressourcen durch eine
Aufgabe oder den Einfluss von äusseren (z.B. Lärm) und inneren (z.B. Müdigkeit) Stressoren zu bestimmen. Man kann sich aber auch fragen, wie sich
Störungen während einer bestimmten Tätigkeit in Form von gleichzeitig oder
kurz hintereinander geforderten anderen Tätigkeiten auf die primäre Aufgabe auswirken. Solche Störungen durch eine andere Tätigkeit oder durch einen Stressor werden Interferenzen genannt.
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Im Geruchsversuch beispielsweise interferierten die übel riechenden Gerüche mit dem Gedächtnistest, und die Leistung nahm infolgedessen - als
Funktion der Geruchsintensität - um beinahe 20% ab. Was ist hier eigentlich
passiert? Meist wird dahingehend argumentiert, dass die ursprüngliche Aufgabe neu definiert werde. In unserem Fall wurde die primäre Aufgabe –
nämlich das Tracking – aufrechterhalten, während die zweite, hier offensichtlich weniger wichtige Aufgabe geopfert wurde (Hockey 1997). Das erscheint
plausibel. Der zusätzliche Stimulus, in diesem Fall der Geruch, beanspruchte - zumindest vorübergehend - die Aufmerksamkeit der Probanden um
wahrgenommen und verarbeitet zu werden. Diese Aufmerksamkeit konnte
sich nun nicht mehr voll auf die mentale Aufgabe richten, und die als weniger
wichtig eingeschätzte Aufgabe – hier das Erkennen der Farbsequenz – wurde dabei aufgegeben. Dies setzt aber voraus, dass die Aufmerksamkeit limitiert ist. Warum jedoch wurde die Antwort auf die peripheren sich drehenden
Kreise weiterhin eingehalten? Um dies zu verstehen, lohnt es sich hier das
Wissen über das Phänomen Interferenz heranzuziehen.
Kahneman (1973) und Wickens (1984) gehen davon aus, dass wir über einen Pool von Verarbeitungs-Ressourcen verfügen, die gemäss den gerade
aktuellen
Aufgabenanforderungen
zugeteilt
werden
(Ressourcen-
Allokations-Theorie). Aufgaben werden als datenlimitiert bezeichnet, wenn
sie nicht verbessert werden, auch wenn wir mehr Ressourcen investieren.
Die Leistung ressourcenlimitierter Aufgaben hängt davon ab, wie viele Ressourcen wir investieren (Norman und Bobrow 1975). Frühere Untersuchungen kamen zum Schluss, dass Aufgaben-Kombinationen zwar limitiert sind
(z.B. Posner und Boies 1971), doch Manipulationen des Inputs und des
Outputs in bezug auf diese Aufgabenkombinationen ergaben, dass sie dennoch ausgeführt werden können (McLeod 1977). Insbesondere, wenn das
Ausführungssystem für zwei Aufgaben verschieden ist, verschwindet die
Interferenz (McLeod 1977/1978). Allport et al (1972) zeigte, dass komplexe
Aufgaben – wie z.B. ab Blatt Klavier spielen und gleichzeitig eine auditive
Aufgabe erfüllen – erlernt und ausgeführt werden konnten, ohne dass dies
bei einer der beiden Aufgaben zu einer Einbusse der Leistung führte. Das
deutet darauf hin, dass uns nicht etwa nur eine einzige Ressource, sondern
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eine Vielzahl aufgabenspezifischer Ressourcen zur Verfügung stehen. Wenn
die gleichzeitig zu erfüllenden Aufgaben nicht um dieselbe Ressource wetteifern, kommt es nicht zu einer Dual-Task-Interferenz (McLeod und Posner
1984). Doch Untersuchungen von Pashler (1990), Fagot und Pashler (1992),
Carrier und Pashler (1995) implizieren, dass das gleichzeitige Auffinden
zweier Handlungs-Programme nicht möglich sei, selbst wenn die Aufgaben
verschiedenartig seien. Neumann (1984) argumentiert im Zusammenhang
mit Störfaktoren, diese würden nicht nur Interferenzen produzieren, weil sie
präsentiert und verarbeitet werden müssten, sondern vor allem, weil sie mit
der beabsichtigten Handlung in Beziehung stünden. Die Untersuchungen
von Posner (1980) zeigen, dass es je nach der räumlichen Position von Objekten oder Hinweisen zu Interferenzen kommen kann oder nicht. Hinweise
in der optischen Peripherie konnten nicht ignoriert werden, solche im zentralen Blickfeld aber können, wobei die zentralen Hinweise einer zusätzlichen
zentralen Verarbeitung bedurften. Das periphere Signal in der MultitestAufgabe drehte sich oder erzitterte, es resultierte eine Bewegung. Bewegung im Gesichtfeld wird durch ein spezielles neurales System analysiert.
Wir können in der äusseren Peripherie des Gesichtfeldes keine Bewegung
erkennen. Statt dessen löst ein sich in der Peripherie bewegendes Objekt
einen unbewussten Reflex aus (Kandel et al 1995, S 452-453). Wenn ein
Stimulus-Input mit einem Output, einem sog. ‚privileged Loop’ verknüpft ist z.B. Hören eines auditiven Signals bei gleichzeitigem Sprechen, oder periphere Bewegung führt zu einer Reaktion - dann können diese beiden Aktivitäten gemäss Posner (1980) weder gestört werden noch beeinträchtigen sie
andere Aufgaben.
Einer der meist untersuchten Effekte in kognitiver Psychologie ist der Stroop-Effekt (Stroop
1935). Stroop präsentierte seinen Versuchspersonen das Wort Blau - geschrieben mit roter
Tinte. Wenn die Aufgabe darin bestand das Wort zu lesen, so erwies sie sich als sehr einfach, bestand die Aufgabe aber darin die Tintenfarbe zu nennen, so kam die Antwort langsamer.
Hier geht Folgendes vor sich: Unsere Fähigkeit selektiv auf einen Aspekt des StroopStimulus zu achten wird durch den anderen Aspekt vermindert. Auch wenn wir beabsichtigen einzig auf die Farbe der Tinte zu achten, so lässt sich das geschriebene Wort nicht total
ignorieren. Normalerweise verläuft der Stroop-Effekt asymmetrisch: Bei den in inkongruenter Farbe geschriebenen Farbbezeichnungen interferiert der Name mit der Tintenfarbe und
nicht umgekehrt. Das Wort aktiviert die Antwort automatisch (Privileged Loop), selbst wenn
die bewusste Kontrolle uns ermöglicht die Tintenfarbe zu benennen, so kostet es uns doch
mehr Zeit. Wenn die Aufgabe darin besteht zu entscheiden, ob Stimuli physikalisch zusammen passen, so erfolgt dies bei Farben schneller als bei Wörtern. Ein Privileged Loop stellt
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eine automatische Verbindung zwischen Input und Output dar. Posner und Snyder (1980)
heben in ihrer Theoriebildung das Verhältnis zwischen bewusst kontrollierten Prozessen
und anstrengungsfreien, automatischen Prozessen hervor. Neuman (1984) listet drei Primär-Kriterien für automatisches Verarbeiten auf:
1. Modus der Operation: Automatische Prozesse operieren ohne Kapazität. Sie werden
weder gestört noch können sie stören.
2. Kontrollmodus: Automatische Prozesse werden durch den Stimulus kontrolliert und
nicht durch die Absichten (Strategie, Erwartungen, Pläne) der Person.
3. Modus der Repräsentation: Automatische Prozesse werden meist nicht bewusst wahrgenommen.
Neumann (1987) relativiert jedoch diese Kriterien, indem er meint, dass graduierbare Abstufungen in der Menge der Kontrolle vorhanden seien und dass auch Privileged Loops eventuell der Kontrolle bedürften.
Kommen wir nun zurück auf die übel riechenden Gerüche, welche zwar die
Leistung im Farbsequenz-Gedächtnis-Test beeinträchtigten, nicht aber bei
der Aufgabe, die peripheren, sich drehenden Kreise zu konstatieren – hier
wurde nur die Reaktionszeit unter NH3 verlangsamt, die Antworten hingegen
wurden davon nicht beeinträchtigt: Sie blieben weiterhin richtig. Die räumliche Stellung in der Peripherie zusammen mit der Bewegung zwingt uns - wie
auch die Untersuchungen von Posner (1980) zeigen - diese auch zu beantworten. Die Antworten darauf erfolgten unter NH3 zwar verzögert, aber korrekt. Die Reaktionszeit bei der Farbsequenzen war nicht etwa verlangsamt,
es wurden auch nicht Fehler im Erkennen der jeweiligen Sequenz begangen
– also falsche Antworten gegeben -, sondern die Sequenzen scheinen ganz
einfach ignoriert oder nicht mehr erkannt worden zu sein. Entweder wurde
die Aufgabe re-definiert im Sinne von: ‚Achte nicht mehr auf die Farbsequenzen’. Oder die Farbsequenzen beanspruchten den gleichen Verarbeitungsmodus wie die Gerüche. Oder die Gerüche standen in einem Zusammenhang mit der beabsichtigten Handlung die Farbsequenzen zu erkennen
und darauf zu reagieren.
Eine Erklärungsmöglichkeit ist, dass die Gedächtnissaufgabe und die Gerüche auf dieselbe kognitive Ressource zurückgreifen (Interferenz). Lorig
(1999) argumentiert, dass Gerüche ‚zeitliche Gemische’ darstellen: Um olfaktorische Signale zu interpretieren muss das zentrale Nervensystem neurale Codes über eine gewisse Zeitdauer akkumulieren. Dasselbe gilt für die
Farbsequenz Aufgabe; man muss die letzten zwei Farben ‚im Kopf’ behalten
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um zu entscheiden ob mit der neuen Farbe die Sequenzbedingungen erfüllt
sind. Dies könnte zu der gefundenen Interferenz führen.
Eine andere Möglichkeit ist, dass die komplexe Aufgabe unter den übelriechenden Gerüchen re-definiert wurde; indem das Tracking als primär und
die Gedächtnissaufgabe als sekundär eingestuft wurde. Die Aufrechterhaltung der als primär eingestuften Aufgabe wurde unter Lärm, Schockdrohung,
und anderer Umweltbedingungen gefunden (Baddeley 1972, Broadbent
1971, Hockey 1970, 1979). Das Tracking wurde nicht als Haupt oder Primäraufgabe eingeführt, alle Komponenten der Aufgabe wurden vom Experimentator als gleichwertig behandelt und die Aufgabe wurde als Ganzes
eingeübt. Das kontinuierliche Adjustieren des Cursors zum sich bewegenden
Objekt auf dem Bildschirm verlangt kontinuierliche Aufmerksamkeit und Kontrolle des Effektors (Hand). Dies macht eine Einschätzung des Trackings als
primär plausibel.
In der Natur wird die selektive Antwort auf einen Stimulus diktiert vom Antriebszustand des Organismus – Hunger, sexuelle Bedürfnisse, drohende
Gefahr. Die Geruchswahrnehmung und -einschätzung entscheidet bei vielen
Tieren über Leben oder Sterben. Übel riechende Gerüche werden als Bedrohung erlebt. Vroon (1994) beschreibt sehr eindrücklich, dass wir Europäer üble Gerüche für die Pest verantwortlich machten sowie diese mit Gerüchen zu bekämpfen versuchten. Ein Stimulus, dem eine motivationale Wichtigkeit zufällt, wird die Aufmerksamkeit stärker auf sich ziehen als ein affektiv
neutraler Stimulus. Auch wenn wir Menschen uns nicht (mehr?) primär über
Gerüche orientieren sind die entsprechenden Wahrnehmungsstrukturen
stark mit dem affektiven System verknüpft (van Toller 1988, Jarrard 1995).
Übel riechenden Gerüche können als drohende Gefahr interpretiert werden
und uns daher zwingen unsere Aufmerksamkeit auf sie zu lenken. Gemäss
Becker (1995) würden die Gerüche zu den angeborenen Emotionen gehören.
Ein Zurücknehmen der Aufmerksamkeit bei Mehrfachaufgaben betrifft häufig
das Arbeitsgedächtnis oder induziert eine Verlagerung auf einen weniger
Ressourcen gebrauchenden Kontrollmodus (Hockey 1997). Aufgaben, die
das Arbeitsgedächtnis brauchen, werden generell als störungs-empfindlich
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angeschaut, werden sie aber als Primäraufgabe wahrgenommen, können
sie aufrechterhalten werden, indem neue Arbeitsweisen eingeführt werden.
Dies führt zur folgenden Hypothese: Stimuli, die eine Bedrohung der inneren
Zielvorgabe darstellen, ziehen die Aufmerksamkeit auf sich und interferieren
mit der Aufgabe, indem sie eine Redefiniton derjenigen Teilaufgabe auslösen, deren Verarbeitung am stärksten mit dem Reiz interferiert.
9.1.4 Die Regulation
Die Aufgaben wurden analog zum Ziel des Experimentes II in eine kognitive
und eine motorische Komponente aufgeteilt. Diese wurden durch Experten
in zwei Rangfolgen eingeteilt. Die Experten Einschätzung der kognitiven Anforderungen entsprach genau der subjektiven Einschätzung des ‚Interessens’4. Das Interesse korrelierte schlecht mit der subjektiven Einschätzung
der Beanspruchung, auch wenn eine Beziehung zur Herzrate festgestellt
werden konnte. Dies könnte bedeuten, dass die Experten zwar adäquat einschätzen können, wie erregend oder wie langweilig eine Aufgabe ist, aber
die eigentliche Grösse, welche die Beanspruchung ausmacht, nicht genau
einschätzbar ist. Wie wir gesehen haben, spielt die motorische Anforderung
eine Rolle. Gemäss dem zu Grunde liegenden Modell der mentalen Arbeit
muss die erforderliche Tätigkeitskontrolle oder –Regulation ebenfalls miteinbezogen werden.
Was aber bedeutet Tätigkeitsregulation? Hockney (1997) geht davon aus,
dass die Routine-Regulation automatisch funktioniert und keine Kosten verursacht, wohl aber die höhere Regulation: der Aufmerksamkeits-Manager
(Effort-Manager). Er sagt, die Wahrnehmung der Belastung erfordere ein
Verlagern der Kontrolle auf ein höheres Regulationszentrum und dies bewirke Kosten. Der Aufmerksamkeits-Manager funktioniert nicht automatisch.
4
Im zweidimensionalen Modell von Warr (1987), das in enger Beziehung zu arbeitspsychologischen Fragestellungen steht, entspricht die Beziehung langweilig – interessant der
Arousal-Dimension, wobei nur langweilig, nicht aber interessant wörtlich vertreten ist.
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Auch Richter und Hacker (1997) sind der Ansicht, dass die eigentliche Beanspruchung durch die Tätigkeitsregulation verursacht wird.
In der Aufmerksamkeitsforschung wird das mentale Verarbeiten von Information ebenfalls mit dem Ablauf zweier verschiedener Kontrollprozesse erklärt. Im automatischen Modus erfolgt die Verarbeitung als passiver, durch
eine Stimulation angetriebener Prozess, der parallel funktioniert und keine
Aufmerksamkeit beansprucht. Im Kontroll-Modus wird die mentale Verarbeitung bewusst im Hinblick auf die vorhandenen Absichten überprüft und ist
mit einem gewissen Zeitaufwand verbunden. Posner und Snyder (1975) postulieren, dass automatische Aktivierungsprozesse sich dadurch auszeichnen, dass sie ohne bewusstes Erkennen und ohne Interferenz mit anderen
mentalen Aktivitäten funktionieren. Bewusst kontrolliertes Verarbeiten ist von
limitierter Kapazität und nur reduziert verfügbar, wenn es für eine Operation
benötigt wird. Die Schlechten Gerüche verursachten im Experiment III eine
Orientierungsreaktion. Eine Orientierungsreaktion stellt einen automatischen
Aktivierungsprozess dar und sollte gemäss Posner und Snyder (1975) keine
Interferenzen verursachen. Die Leistung in der Gedächtnisaufgabe nahm
aber deutlich ab. Die Konzeption, dass ein automatischer Verarbeitungsmodus keine Interferenzen verursacht muss daher angezweifelt werden, wie
dies auch Neuman (1987) schon getan hat. Im Gegensatz dazu verursachten die sich bewegenden Kreise in der Peripherie, die auch eine Orientierungsantwort (Kandel et al 1995) auslösen, keine Interferenzen (Experiment
II). Öhman (1986) differenziert zwischen der klassischen Orientierungsantwort (non-signal) und einer Signal orientierten Antwort, wobei die Unterscheidung der beiden auf dem Nichtübereinstimmen des Inputs mit der Situation (klassische Orientierungsantwort) oder dem Übereinstimmen mit der
aktuellen Aufgabe (Signal orientiert) basiert. Wie von Öhman theoretisch
postuliert, verursachte die klassische Orientierungsantwort eine Interferenz,
hingegen die signal-orientierte Antwort nicht.
Eine bestimmte, in der Aufmerksamkeitsforschung gebräuchliche Form des
Experiments - nämlich ‚mental shift’ - scheint mir im Zusammenhang mit der
Aufmerksamkeitsregulation sehr wichtig, und es lohnt sich dieses Verfahren
näher anzuschauen. Jersild (1927) führte erstmals ein Shift-Experiment
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durch, in dem er von seinen Versuchspersonen forderte zwischen verschiedenen Rechnungsaufgaben hin und her zu wechseln, und zwar nicht blockweise, sondern innerhalb der verschiedenen Elemente der jeweiligen Aufgabe. Er gab den Versuchspersonen z.B. eine Liste mit 25 zweistelligen Zahlen
und stellte ihnen die Aufgabe zur ersten Zahl 6 zu addieren und von der
zweiten Zahl 3 zu subtrahieren. Der Vergleich zwischen der für diese Liste
aufgewendeter Zeit und der für die getrennten Rechenkalkulationen benötigte Zeit brachte nach Jersild einen Shift-Verlust zu Tage; dieser betrug pro
Item bis zu einer Sekunde! Auch beim Einsatz eines mehrdeutigen Stimulus
– der nicht eindeutig auf die zu verrichtende Aufgabe hinweist – stellten
Spector und Beiderman (1976, p 669) erhebliche Shift-Verluste fest. Erst
1994 griffen Allport et al die Shift-Forschung wieder auf und variierten auch
die Aufgabenstellungen. Eine ausführliche Übersicht und Beispiele für ShiftAufgaben finden sich bei Styles (1997 p192-201). Shift-Aufgaben beinhalten
Stimuli, die zweideutig sind, z.B. eine Vierergruppe von Zweiern (2222) bedeutet einerseits zwei, andererseits sind 4 Zweier vorhanden, was 4 suggeriert. Beide Bedeutungen werden wahrgenommen, und da das Verbalisieren
der Ziffer 2 in Zwei eine gebräuchlichere Aktion darstellt, wird dieses Aktionsprogramm oder Schema getriggert. Die Aufgabe würde nun darin bestehen einmal 2 = Zwei zu sagen und bei der nächsten Gruppe die Anzahl 2er
= Vier, so muss für die Gruppenanzahl das dominante Aktionsprogramm
bewusst durch ein neues Aktionsprogramm ersetzt wird. Wenn die Ausführung der zweiten Aufgabe voraussetzt, dass das dominante Aktionsprogramm (privileged loop) zuerst überwunden werden muss, so erfordert dies
eine aktive Kontrolle. Wenn nun zwischen zwei nicht dominanten Aktionsprogrammen gependelt werden muss, so wäre zu erwarten, dass die ShiftKosten grösser werden, da beides Mal ein dominantes Programm zu überwunden wäre, also mehr Kontrolle benötigt würde. Die Shift-Kosten waren
aber im Experiment von Allport et al (1994) gleich gross, unabhängig davon,
ob nun zwischen einem dominanten und einem nicht-dominanten Aktionsprogramm gewechselt werden musste oder zwischen zwei nicht-dominanten
(Allport et al 1994). Allport zeigt aber auch auf, dass die Shift-Kosten nicht
auf die für eine Kontroll-Prozedur benötigte Zeit zurückzuführen sind, sondern auf sog. Interferenzen. Offenbar ist es der Konfliktlösungs-Prozess, der
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Zeit benötigt, bis entschieden wird, welches Aktionsprogramm anzuwenden
ist, wenn ein störendes Schema schon vorher aktiviert war. Auch die Zeit
zwischen den Stimuli wurde variiert in der Annahme, dass die Zeit das zuvor
aktiv gewesene Aktionsprogramm weniger wirksam werden liesse, doch dies
brachte keinen Vorteil. Das bedeutet, dass man nach dem Sich-Wegwenden
von einem Aktionsprogramm vorerst warten muss, bis der nächste Stimulus
erfolgt, der eine Aktion zu triggern vermag. Ein weiteres Experiment derselben Forschergruppe (Allport et al 1994) zeigte auf, dass unmittelbar nach
dem Wechsel eines Stimuluskriteriums zwischen 5 und 7 Stimuli erforderlich
waren, bis die frühere Leistung wieder erreicht wurde. Dies weist ebenfalls
darauf hin, dass der Aktionsprogrammwechsel eines neuen Stimulus bedarf.
Ein stimulusabhängiges Verarbeiten ist jedoch ein Charakteristikum des automatischen Verarbeitungsmodus. Diese Resultate stellen die Unterscheidung zwischen kontrolliertem und automatischen Verarbeiten ebenfalls in
Frage. Sie deuten darauf hin, dass jeder Wechsel eines Aktionsprogramms
mit Kosten verbunden ist. Tätigkeitsregulationen verändern unsere Arbeitsweise
oder
die
Aufgabendefinition
in
der
Anforderungs-
Auseinandersetzungs-Konzeption. Eine veränderte Arbeitsweise, aber auch
eine neue Aufgabendefinition ziehen zwangsläufig einen Wechsel des Handlungsprogramms nach sich: Schneller oder weniger genau zu arbeiten oder
aber eine Teilaufgabe gar nicht mehr wahrzunehmen - solche Umstellungen
können doch nur vollzogen werden, wenn sich das oder die ihnen zugrundeliegenden Handlungsprogramme verändert haben. Diese Wechsel erfolgen
auf Kosten der Aufmerksamkeit. So kann postuliert werden, dass die Beanspruchung den Nettoeffekt der Tätigkeitsregulation und der damit implizierten Kontrolle darstellt. Aber auch eine gut erlernte automatische Handlung,
z.B. das langsame Tapping, sollte eigentlich keiner Tätigkeitsregulation bedürfen und demnach keine Beanspruchung zur Folge haben. Der Atmungsdrive nahm de facto aber auch beim langsamen Tapping zu. Es stellt sich
also die Frage, ob es Handlungen gibt, die sich ohne Tätigkeitsregulation
bewerkstelligen lassen - eine Frage, die zur Zeit noch nicht beantwortet werden kann. Doch selbst wenn solche hoch automatisierten Handlungen existieren sollten, so ist in der Laborsituation doch davon auszugehen, dass
sämtliche Tätigkeiten der Regulation bedürfen. Das Ausmass der benötigten
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Regulation ist jedoch abhängig von der Aufgabe selber sowie vom Zustand
jenes Individuums, das diese Aufgabe ausführt.
Wie die Kontrolle der Tätigkeitsregulation konkret vor sich geht, bleibt immer
noch ungeklärt. Nach Baddleys (1986) Modell vom Arbeitsgedächtnis sowie
nach Hockeys energetischem Modell der geistigen Arbeit existiert eine Instanz, welche die Kontrolle über das System ausübt. Ohne Kontrolle würde
das System ausschliesslich durch externe Stimuli determiniert. Die Experimente von Allport machen jedoch deutlich, dass das, was eigentlich der
Kontrolle des Individuums unterstehen sollte, zugleich auch von äusseren
Reizen abhängig ist. Auch die Experimente von Rogers und Monsell (1995) in ihnen war eine Antizipation des Programmwechsels eingebaut - zeigten,
dass ein exogener Trigger notwendig war. Rogers und Monsell (1995) halten
ihre Resultate für eine Bestätigung des Modells von Norman und Shallic
(1986): Die Aktivierung eines Handlungsprogramms (Task Set) wird zwar
durch einen externen Stimulus ausgelöst, doch wird diese Aktivierung durch
interne Prozesse moduliert. Diese Prozesse wiederum gewährleisten, dass
das adäquate Handlungsprogramm in Aktion tritt und die erforderliche Verrichtung veranlasst. Unter einem adäquaten Handlungsprogramm verstehe
ich dasjenige Programm, das ein kohärentes Verhalten gewährleistet.
Hockney (1997) setzt Ängstlichkeit oder sonstige negative Affekte gleich mit
dem Output des Handlungs-Monitors. Ein negativer Affekt ist gemäss Lazarus und Folkman (1984) der Indikator der Ersteinschätzung (primary appraisal), der das Ausmass der wahrgenommenen Anforderung oder Infragestellung unserer aktuellen Ziele anzeigt. Die Einschätzung der Valenz im Geruchsexperiment dürfte sich daher nicht nur auf die Gerüche beschränken,
sondern auch darauf, dass das aktuelle Ziel (nämlich die Aufgabe möglichst
gut zu lösen) in Frage gestellt wurde. Die Situation wurde insbesondere unter Einwirkung der beiden übel riechenden Gerüche während der mentalen
Aufgabe als unangenehmer empfunden als unter Ruhebedingungen.
9.1.5 Aufmerksamkeit als motivational gesteuerte Neuromodulation
Unter Neurotransmission versteht man, dass ein Neuron an der Synapse
eine Substanz abgibt (z.B. Glutamat), welche das Öffnen des Ionen-Kanales
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auf der anderen Seite des Spaltes bewirkt und dadurch das Membranpotential verändert. Das passiert genau an einer Synapse und braucht wenige
Millisekunden (genaue Lokalisation und schnell). Zusätzlich zu solch schnellen und räumlich genau lokalisierten informations-verarbeitenden Neuronen
gibt es Prozesse, in die nur wenige Neuronen unseres Gehirnes involviert
sind. Diese Neuronen sind nicht direkt an der Informationsverarbeitung
beteiligt, sondern geben Substanzen wie Noradrenalin, Dopamin, Serotonin
und Azetylcholin ab. Der Effekt dieser Substanzen wird nicht durch IonenKanal Rezeptoren vermittelt, sondern durch Rezeptoren, welche biochemische Reaktionen in der Zelle steuern (G-protein-gekoppelte Neuronen). Diese biochemisch vermittelten Reaktionen brauchen mehrere hundert Millisekunden. Es existieren in unserem Gehirn nur wenige solcher Neuronen (ca.
1% aller Neuronen), sie sind unspezifisch, in einer nicht örtlichen Art verknüpft und sie sind langsam. Also können sie keinen eigentlichen Informationsverarbeitungs-Job erledigen, aber sie beeinflussen das Funktionieren der
schnellen informationsverarbeitenden Glutamat Neuronen. Der Einfluss dieser diffus verknüpften Neurone durch die Abgabe von Substanzen wird Neuromodulation genannt.
Kaczmarek und Levitan (1987) definieren Neuromodulation als die ‚Fähigkeit
von Neuronen ihre elektrische Eigenschaft als Antwort auf intrazelluläre biochemische Veränderungen resultierend aus synaptischer oder hormoneller
Stimulation zu ändern’. Neuromodulatoren verarbeiten nicht direkt Information aber sie beeinflussen die Informationsverarbeitung. Die Neuromodulation
setzt die generellen Verarbeitungsparameter und adjustiert diese gemäss
den Anforderungen der Umwelt.
Aufmerksamkeit hat Auswirkungen auf das Gehirn. Wenn wir unsere Aufmerksamkeit auf einen spezifischen Aspekt unserer Umgebung richten, wird
selektiv die Aktivität in dem Gehirn-Areal erhöht, das diesen Aspekt verarbeitet (Corbetta 1991, Roland 1985). Erhöhte Aktivität in einem kortikalen Areal
bedeutet erhöhte synaptische Transmission und daher grössere Verarbeitungs-Energie. Die Auswirkung der Aufmerksamkeit kann als Aktivierungserhöhung von kortikalen Arealen interpretiert werden. Aufmerksamkeit be-
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stimmt die Aktivität und Aktivität ist die Vorbedingung für Veränderungen
(wie z.B. Lernen) (Spitzer 1999).
Noradrenalin und Dopamin verstärken das Verhältnis zwischen dem Signal
und dem Rauschen in neuronalen Systemen (Cohen und Servan-Schreiber
1992, Segal und Bloom 1976, Waterhouse et al 1990, McLean und Waterhouse 1994). Diese Neuromodulatoren erhöhen bildlich gesprochen den
Kontrast. Auf den ersten Blick erscheint ein grosses Signal/Rausch Verhältnis für alle Umstände vorteilhaft. Aber ein maximales Signal mit wenig Rauschen könnte äusserst hinderlich sein für kreatives Problemlösen. Im Gegensatz dazu könnte eine niedrigeres Signal/Rausch Verhältnis mit gewissen lateral eindringenden Gedanken (wie wir es z.B. im ‚Brainstorming’ anwenden) hilfreich sein. Bei neuronalen Netzwerk-Modellen konnte gezeigt
werden, dass das Rauschen die Reorganisation von solchen Netzwerken
fördert (Spitzer 1999 Kap. 7). Der Rausch Pegel ist sehr wahrscheinlich ein
wesentlicher Faktor zur Optimierung des Lernens in neuronalen Systemen.
Rauschen muss daher als Eigenschaft eines Systems und nicht als Störung
angeschaut werden, da das Rauschen, in Abhängigkeit von der zu bewältigenden Aufgabe, entweder hilfreich oder nachteilig ist. Daher muss es Möglichkeiten geben das Signal/Rausch Verhältnis zu modifizieren. In normalen
Versuchspersonen führen Stress und Ängstlichkeit dazu, dass Standard Assoziationen produziert werden (wie weiss-schwarz, Mama-Vater) und unübliche Assoziationen kommen weniger vor (Mintz 1969). Unter Angst oder Gefahr-Bedingungen macht es keinen Sinn lateral zu denken oder Querverweisen nachzugehen, sondern man hat schnell und effektiv zu reagieren. Das
Signal/Rausch Verhältnis muss demnach hoch sein.
Die Weite der Aktivierungs-Ausbreitung in einem Netzwerk korrespondiert
mit der Genauigkeit der Aktivierung und wird durch Dopamin oder Noradrenalin kontrolliert (Cohen und Servan-Schreiber 1992). Wenn z.B. Dopamin
erniedrigt ist, wird der Fokus breiter und der Zugang weniger scharf und verlässlich, was einem niedrigen Signal/Rausch Verhältnis entspricht. Das umgekehrte ist der Fall unter hoher Dopamin-Konzentration: das Signal/Rausch
Verhältnis ist hoch und der Fokus eng und verlässlich. Waterhouse et al
(1990) und McLean und Waterhouse (1994) fanden, dass Noradrenalin viI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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suell ausgelöste Reaktionen erhöhte und teilweise erst ermöglichte. Auch
kam es zu einer schärfer definierten Grenze der rezeptiven Felder. Die Autoren schlossen aus ihren Untersuchungen, dass Noradrenalin die Kapazität
besitzt, die Wahrnehmungsschwelle für afferente Signale zu modifizieren
sowie die ‚feature extraction properties’ zu ändern. Noradrenalin kann also
die Auflösung visueller Verarbeitung zustandsäbhangig kontrollieren.
Es wird daher vorgeschlagen, dass Aufmerksamkeit eine Neuromodulation
darstellt, indem in benötigten Neuronenverbänden das Signal/Rausch Verhältnis vergrössert, in nicht benötigten Neuronenverbänden das Signal/Rausch Verhältnis verkleinert wird. Das vergrösserte Signal/Rausch Verhältnis in den benötigten Zellverbänden bewirkt ihre Synchronisierung. Ob
dies über Noradrenalin oder im Zusammenspiel mit Dopamin oder durch
eine noch unbekannte neuromodulatorische Substanz geschieht, kann hier
nicht weiter ausdiskutiert werden.
Angenommen dies sei so, stellt sich nun die Frage, was steuert diese Neuromodulation. Einerseits wissen wir, dass schon die Erwartung die Aktivität
in den Hirngebieten steigert, von denen angenommen wird, dass sie gebraucht werden. Andererseits zeigen sogenannte Shift-Aufgaben, dass
selbst wenn genügend Zeit gegeben wird, um die geshiftete Aufgabe vorzubereiten, die Reaktion dennoch verzögert ist (Allport et al 1994). Daraus leiteten Roger und Monsell (1995) ab, dass, wenn Aufgaben Sets gewechselt
werden müssen, mindestens zwei Komponenten involviert sind; ein initialer
endogener Prozess, der in Antizipation einer Aufgabe wirkt und eine zweite
Komponente, die exogen getriggert wird, wenn der Aufgaben relevante Stimulus erscheint. Antizipation kann verstanden werden als eine relativ ungenaue Neuromodulation, welche sich erst durch den exogenen Stimulus und
seine Verarbeitungswege einjustiert.
Das hier dargelegte Aufmerksamkeitsverständnis besagt, dass das Individuum gemäss seiner Motivation, die aus dem Match-Missmatch-Verhältnis
zwischen Langezeitzielen und aktuellen Gegebenheiten resultiert, Aufmerksamkeit investiert. Die Aufmerksamkeit bewirkt eine Neuromodulation der
notwendigen Verarbeitungsprozesse, wobei äussere Stimuli notwendig sind
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um diese genau zu adjustieren. Stimuli oder Aufgaben-Sets, die in sich eine
motivationale Bedeutung ‚Wichtigkeit’ aufweisen, können diese Neuromodulation direkt aufrufen und können auch das autonome Nervensystem involvieren.
9.1.6 Fazit:
Unsere Untersuchungen bestätigen, dass externe Störfaktoren die mentale
Leistung beeinträchtigen und zwar in Abhängigkeit ihrer affektiven Bedeutung. Störfaktoren mit affektiver Bedeutung stellen unser inneres Aufgabenleistungs-Ziel in Frage und lösen infolgedessen eine Tätigkeitsregulation
aus. In Verbindung mit Ergebnissen aus der Aufmerksamkeitsforschung sind
unsere Resultate dahingehend zu deuten, dass der investierte Aufwand
Aufmerksamkeit darstellt und zusammen mit der notwendigen Aufmerksamkeits-Regulierung zur Beanspruchung führt. Die Beanspruchung ist demzufolge als Summe der investierten Aufmerksamkeit, sowie ihrer Kontrolle zu
verstehen. Aufmerksamkeit kann als emotional/motivational gesteuerte Neuromodulation verstanden werden. Geistige Arbeit ist in der Regel mit einer
motorischen Verrichtung verbunden und diese wiederum interagiert mit der
mentalen Beanspruchung. Die Trennung zwischen körperlicher und geistiger
Arbeit in den Arbeitswissenschaften ist daher nicht aufrechtzuerhalten. Arbeit ist vielmehr als Kontinuum mit unterschiedlich variierenden Anteilen an
kognitiven und motorischen Anforderungen zu verstehen.
Es wäre von äusserstem Interesse die ausgefeilten Shift-Experimente
zwecks Untersuchung der mentalen Beanspruchung heranzuziehen, insbesondere dort, wo es um die Erforschung von Müdigkeit oder um den Einfluss
externer Störfaktoren geht.
9.2 Die Atmung
Insgesamt bildete die Atmung in unseren Untersuchungen die verschiedenen objektiven Anforderungen (Motorik und Aufmerksamkeit) sowie die subI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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jektiven Bewertungen in höchst sensibler Form ab. So bewirkten die übel
riechenden Gerüche eine Atemantwort und zwar, wie bei der Leistung, in
Abhängigkeit der Reiz-Signifikanz. NH3 löste zudem eine längerfristige Verkürzung von Ti aus. Minutenventilation (MV), Inhalationsfluss (Vi/Ti) wie Vi
differenzierten zwischen den verschiedenen mental-motorischen Aufgaben
und covariierten gut mit der subjektiven Beanspruchungs-Einschätzung. Zusammenhänge zwischen Ti und Vi/Ti mit Erregung, sowie Ti, Vi/Ti und Vi mit
Valenz bei induzierten Emotionen konnten aufgezeigt werden. Alles in allem
zeigt das ermittelte Abbild der mentalen Arbeit in der Atmung viele Facetten
und es stellt sich nun die Frage: Was bedeuten diese Facetten im Einzelnen?
9.2.1 Das Verhalten der Zeitparameter
Die meisten Untersuchungen über die Auswirkungen mentaler Arbeit auf
Atemparameter zeigten (Allen et al 1986, Caroll et al 1987, Langer et al
1985, Svebak 1982, Turner und Caroll 1985, Turner et al 1983, Wientjes et
al 1998, Boiten 1993), dass mentale Arbeit zu einer Verkürzung von Ti und
einer Zunahme von Vi/Ti führt, wobei Vi entweder abnimmt oder unverändert
bleibt. Dies war auch im Experiment II beim langsamen Tapping und dem
Kombitest (Multitest ohne Tracking) der Fall, beim Multitest jedoch nahm
zusätzlich Vi zu (Experiment II und Experiment III). Beim Betrachten der verschiedenen gefühlsinduzierenden Bilder (Experiment IV) korrelierte Ti und
Vi/Ti mit der Erregung und mit der Valenz und ein signifikanter Einfluss der
Persönlichkeitsvariable Extraversion auf Ti konnte aufgezeigt werden.
Gemäss Milic-Emili et al (1981) folgen Veränderungen in den Zeitparametern der Veränderung des zentralen Einatmungsdrive. Die Verkürzung von Ti
war bei den unterschiedlichen mental-motorischen Aufgaben nicht signifikant
verschieden; doch führten diese diversen Aufgaben bei den Versuchspersonen zu unterschiedlichen subjektiven Einschätzungen der Beanspruchung.
Diese Einschätzungen korrelierten mit MV, Vi/Ti und mit Vi. Es scheint, als
würde Ti zwar massiv verkürzt (gegenüber den Pausen) aber über alle AufI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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gaben hinweg ungefähr in demselben Mass. Porges und Byrne (1992) folgern aus ihrer Studie zu verschiedenen Aufmerksamkeits-Aufgaben, dass
eine Zunahme der Atmungsfrequenz mit erhöhter Aufmerksamkeit korreliert
zu sein scheint, während eine Abnahme der Atmungsfrequenz wohl ein Indikator für eine nachlassende Aufmerksamkeit in der Ausführungsphase der
Aufgabe sei. In Rafferty und Gardener's (1996) Untersuchung variierten die
Versuchspersonen mittels eines Feedback-Systems bewusst die Zeitkomponenten der Atmung. Zusätzlich wurde die Zusammensetzung der Atemluft
verändert, indem ihr verschieden viel CO2 beigemengt wurde. Ti wie Te
konnten breit und über lange Zeit (> 1Std.) variiert werden, die benötigte chemisch durch CO2 - vorgegebene Minutenventilation wurde über die Anpassung von Vi bewerkstelligt. Das Atemzugvolumen sank dabei jedoch nie
unter seinen Ruhewert. Bei aufgezwungenem Keuchen wurde das endexspiratorische Volumen herabgesetzt um das metabolisch benötigte Atemzugvolumen zu erreichen. Diese Untersuchung zeigt deutlich, dass die Zeitkomponenten der Atmung willkürlich breit steuerbar sind. In einer sorgfältig
kontrollierten Studie von Gallego und Mitarbeiter (1996) stellten sich 28
Sportler die Vorbereitungsphase für ihren Sport (Judo oder Schwimmen) und
die eigentliche Verrichtung (Exercise) vor. Die Atemfrequenz nahm kontinuierlich zu und erwies sich unter beiden Bedingungen als signifikant verschieden von der Ruhephase. Vt nahm nur in der mentalen Vorbereitungsphase
zu, nicht aber, als sich die Sportler die Sport-Ausübung direkt vorstellten. Die
Autoren interpretierten die Zunahme der Atemfrequenz als Antwort auf eine
erhöhte Erregung (arousal). Auch Wuyam et al (1995) kamen zum Schluss,
dass körperliche Aktivität, die man sich vorstellt, vor allem die Atemfrequenz
beeinflusst, nicht aber das Volumen.
Tatsächlich spricht einiges dafür, dass die Modulation von Ti der Erregung
entspricht, indem steigende Erregung Ti verkürzt und abnehmende Erregung
Ti verlängert. Die Yerkes-Dodson (1908) Regel besagt, dass die Beziehung
zwischen Leistung und Arousal einer inversen U-Kurve folgt, indem die Leistung am besten ist, wenn die Erregung ihr Optimum erreicht. Höchstwahrscheinlich ist die Form und Lage der U-Kurve aufgabenspezifisch und die im
Experiment II gestellten Aufgaben weisen ähnliche U-Kurven auf. Da es ja
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gemäss der Yerkes-Dodson Regel kontraproduktiv wäre das Arousal über
ein Optimum hinaus zu steigern und da das Optimum bei den verschiedenen
Aufgaben wie angenommen ähnlich gelagert ist, sollte Ti nicht zwischen den
Aufgaben differenzieren – wie wir es in der Untersuchung II gefunden haben-. Es wird hier postuliert, dass Arousal Ti moduliert und dass die Feinanpassung der Atmung an die metabolischen Bedürfnisse sowie an die Bedürfnisse höherer Kontrollzentren bei einem gegebenen optimalen Ti über Vi
erfolgt. Das bedeutet, dass sich die Beanspruchung durch mentale Arbeit im
Inspirationsfluss und bei zunehmender Beanspruchung vor allem im gesteigerten Inspirationsvolumen Vi abbildet. Dies könnte auch erklären, warum
einige Studien, welche die Atmungsfrequenz als Indikator für die mentale
Beanspruchung heranzogen, keinen Zusammenhang zwischen dem Schwierigkeitsgrad der gestellten Aufgaben und der Atemfrequenz bei deren Lösung fanden (z.B. Veltman und Gaillard 1998).
Die Untersuchung über die Auswirkung induzierter Gefühle auf die Atmung
zeigt den Zusammenhang zwischen Ti und Erregung klar und deutlich auf:
Je höher die Erregung eingestuft wurde, desto stärker verkürzte sich die Inspirationszeit. Und dieser Zusammenhang war auch auf der individuellen
Ebene sehr deutlich.
Die Gefühlsuntersuchung zeigte zudem deutlich auf, dass Persönlichkeitsmerkmale – Extraversion / Introversion – das Umgehen mit Ti mitbestimmen.
Die Extravertierten verlängerten Ti unter tiefem Arousal, wogegen die Neutralen und Introvertierten Ti schon bei tiefem Arousal bereits verkürzten. Was
den Inspirationsfluss und die subjektive Einschätzung der Erregung betrifft,
unterschieden sich die verschiedenen Persönlichkeitstypen allerdings nicht
voneinander. Die Extravertierten verkürzten mit zunehmendem Arousal Ti
ebenfalls, die generelle Richtung der Abhängigkeit von Ti mit Erregung war
gleich, wenn auch auf einem anderen Niveau (Shift). Eine Verlängerung von
Ti haben wir auch bei der Atemantwort auf die übel riechenden Gerüche gefunden – und zwar im Zusammenhang mit einem erniedrigten Drive. Obwohl
eine Aktivierung stattfindet, scheinen die extravertierten Personen ihre Atemantwort auf den äusseren Stimulus und dessen Verarbeitung auszurichten, während die Neutralen und Introvertierten Ti auf ihre ‚innere’ Erregung
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ausrichten. Lehmann (1914) stiess auf ein ähnliches Verhalten, wie wir es
bei den Extravertierten festgestellt haben, wenn sich die Versuchspersonen
vollständig einem Affekt hingaben. Dies entspricht der Beschreibung der Typen nach C.G Jung (1960), der festhält, dass Extravertierte ihr Erleben und
Handeln vorrangig an der Aussenwelt orientieren und sich den äusseren
Reizen – jedenfalls kurzfristig – völlig hingeben würden (infolge einer herabgesetzten Hemmungskontrolle).
9.2.1.1 Atemreflexe werden über Ti ausgedrückt
Die direkte Atemantwort auf die schlechten Gerüche (Experiment III) war
gekennzeichnet durch eine Abnahme des Inhalationsflusses Vi/Ti, wobei v.a.
Ti zunahm. Dies deckt sich mit den Befunden von Milic-Emili (1981), dass
Reflexe sich primär in Ti ausdrücken. Zusätzlich nahm Ti über die gesamte
Dauer der NH3 Exposition ab. NH3 wird überwiegend durch den N. Trigeminus wahrgenommen. Der Nukleus ambiguus erhält sensorischen Input vom
N. Trigeminus und spielt eine wichtige Rolle für den Atemrhythmus (Porges
1994). Die Abnahme von Ti auf Grund der NH3 Exposition könnte auf diese
wichtige Verbindung zurückzuführen sein. Auf der anderen Seite werden
trigeminal wahrgenommene Substanzen als Reizsubstanzen bezeichnet, da
sie ein stechendes, reizendes, kühlendes oder brennendes Gefühl auslösen.
Solch eine Wahrnehmung kommt näher an eine Schmerzwahrnehmung heran als an eine reine Geruchswahrnehmung über den N. Olfaktorius und bedeutet an sich eine stärkere Bedrohung des Individuums. Die Verkürzung
von Ti – schnelleres Einatmen – könnte daher einer Abwehr- oder DefenseReaktion entsprechen. NH3 löste die Orientierungsreaktion – Zunahme von
Ti – zuverlässiger aus als H2S und enthält sehr wahrscheinlich auch eine
stärkere affektive Bedrohungskomponente. Wir ziehen daher den Schluss,
dass NH3 sowohl eine Orientierungsreaktion als auch eine nachfolgende,
verzögerte, dosisabhängige Abwehrreaktion auslöste. Eine Abwehrreaktion
ist nun aber per definitionem mit einem erhöhten Arousal verbunden, was
wiederum darauf hinweist, dass Ti und Arousal stark miteinander verknüpft
sind.
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9.2.1.2 Ti und Valenz
Die gefundenen Beziehungen zwischen Ti und Valenz, Dominanz sowie Arousal im Experiment IV hingegen bedeutet, dass das Timing der Atmung
unter dem Einfluss verschiedener Hirnstrukturen stehen muss. Das Timing
des Atemzyklus steht gemäss Milic-Emili (1982) unter Kontrolle verschiedener nicht-metabolischer Reflexe, motorische Programme und höhere Einflüsse. Durch die Untersuchung neuroanatomischer Zentren, die mit laryngaler, pulmonalen und kardialer Funktionen im Zusammenhang stehen, kamen
Richter und Spyer (1990) zum Schluss, dass der Nucleus ambiguus (einer
der Vaguskerne) wesentlich zum respiratorischen Rhythmus beiträgt. Sie
propagierten, dass ein gemeinsamer kardiorespiratorischer Oszillator existiert, der die Herzaktion und Atmung koordiniert. In ihrem Model ist der Atmungsrhythmus abhängig von der Interaktion zwischen dem Nucleus traktus
solitarius und dem Nukleus ambiguus. Die Gruppe um Harper berichtete über verschiedene Nuklei im Hirnstamm, Zwischenhirn und Grosshirn, die
einen Atmungsrhythmus aufweisen; im Periaquaedukt-Grau (Ni et al 1990)
im zentralen Nukleus der Amygdala (Frysinger et al 1988), Hypocampus
(Frysinger und Harper 1989) und dem anterioren Cingulum (Frysinger und
Harper 1986). Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass Stimulation der Amygdala den respiratorischen Zyklus beeinflussen kann (Harper et al 1984).
Man weiss, dass die Amygdala eine wesentliche Struktur in der Vermittlung
von emotionalem Verhalten darstellt (Aggleton 1992). Sensorische Stimuli
werden über den Thalamus an die Amygdala weitergeleitet. Die Stimulierung
und die Entfernung der Amygdala verändern das affektive und motivationale
Verhalten beim Tier und Menschen (Aggleton und Mishkin 1986, Everitt und
Robbins 1992, Ursin et al 1981). Der Hypokampus hingegen spielt eine
wichtige Rolle beim Lernen (Wilson und McNaughton 1994). Der Gyrus cinguli ist die vermittelnde Struktur zwischen Neokortex und Hypothalmus. Der
respiratorische Rhythmus ist also sehr stark mit Hirnstrukturen verknüpft, die
mit Emotionen und sensorischer Wahrnehmung assoziiert sind.
9.2.1.3 Beanspruchung und Valenz: ein Paradox?
In den verschiedenen Versuchen stiessen wir immer wieder auf einen klaren, konsistenten Zusammenhang zwischen Ti und Erregung. Zudem fanden
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wir bei den induzierten Gefühlen (Experiment IV) sowie im Geruchsexperiment (III) auch einen Zusammenhang zwischen emotionaler StimulusValenz und Ti. Wir konnten aber keine Beziehung zwischen Ti und der Beanspruchung im Experiment II finden. Wie ist das erklärbar?
Neubeck (1992) kommt aufgrund von Beobachtungen und Merkübungen zur
Hypothese, dass Ti die Aufnahme und das Wahrnehmen von Umweltreizen
fördert: ‚in der Einatmung wird die Umwelt beobachtet und aufgenommen,
um die richtigen Objekte für die eignene Bedürfnisse zu finden...’. Die Verlängerung von Ti unter den negativen Gerüchen deutet ebenfalls darauf hin,
dass Ti im Zusammenhang mit Reizwahrnehmung und Verarbeitung steht.
Harver und Kotses (1987) beobachteten, dass, wenn ein Lärm Stimulus in
der Inspirationsphase appliziert wurde, verlängerte und beschleunigte sich
die Inspiration, wenn er in der Exspiration gegeben wurde, resultierte eine
Umschaltung, indem die Ausatmung abgebrochen wurde und den Weg frei
machte für eine Einatmung. Wie bei den Geruchsstimuli aufgezeigt wurde,
ist die temporale Verarbeitung von Reizen äusserst wesentlich für eine richtige Einschätzung (appraisal). Durch die Verlängerung von Ti verlängert sich
erstens die Präsentation des Geruchsstimulus und zweitens kann ein zeitliches Muster des Aktivierungsablaufes miterfasst werden. Dies gilt sicher
auch für die Erfassung von Bewegung und für die Worterkennung oder Lautfolgen-Zuordnung (Lorig 1999, Spitzer 1999). Die Verlängerung der Einatmung kann, bildlich gesprochen, dazu dienen die zeitliche Reizauflösung zu
vergrössern
und
erleichtert
dadurch
die
Stimuluserkennung
und
-
Einordnung.
Auf der anderen Seite ist bekannt, dass sympathische wie auch vagale Motoneurone während der Ausatmung sensibler auf Stimulierung reagieren als
während der Einatmung (Eckberg 1995). Vor allem im mittleren Aktivierungsbereich besitzt die Atmungskurve einen modellierenden Einfluss auf
die sympathischen und parasympathischen Motoneurone, indem ihre Aktivität während der Exspiration verstärkt wird. Wir würden instinktiv nie während
der Einatmung auf den ‚Hau-den-Lukas’ hauen. Motorische Aktivitäten, besonders solche, die grosse Genauigkeit oder einen Kraftaufwand benötigen,
werden mit der Ausatmung koordiniert. Da die Ausatmung generell passiv ist
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wiss. Arbeit
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und sich die Einatmungsmuskulatur dabei entspannt, kann es energetisch
sinnvoller sein muskuläre Verrichtungen in die Ausatmung zu legen.
Veränderungen in der Reaktionszeit als Funktion des Atmungszyklus zeigten
aber widersprüchliche Ergebnisse. Buchsbaum und Callaway (1965) berichteten, dass die Reaktionszeit während der Inspiration verlängert wurde. Sie
führten dies auf den inhibitorischen Effekt der Inspiration auf die vagale Aktivität zurück. Im Gegensatz dazu fanden Beh und Nix-James (1974), dass
die Reaktionszeit kürzer war während Inspiration als während Exspiration
und erklärten dies mit der höheren muskulären Anspannung während der
Inspiration. Gallego et al (1991) untersuchten die Reaktionszeit während
spontaner Atmung und kontrollierter Atmung. Während spontaner Atmung
hatte der Zeitpunkt der Stimulus-Applikation keinen Einfluss auf die Reaktionszeit. Bei willentlich kontrollierter Einatmungszeit aber wurde generell eine
Verlängerung der Reaktionszeit gefunden, wobei die Verlängerung am deutlichsten war, wenn der Stimulus genau in die Phase zwischen In- und Exspiration fiel. Die Autoren erklären die Befunde damit, dass die Aufmerksamkeit
zwischen Atemkontrolle und Reaktionsaufgabe geteilt wurde. Es könnte aber
auch argumentiert werden, dass jede Aufgabe ein optimales Adjustieren der
Atmung beinhaltet, kann diese nicht erfüllt werden, wird die Leistung
schlechter. Zusätzlich setzt sich die Reaktionszeit aus mehreren Komponenten zusammen: Stimulus Wahrnehmung, Reaktionsvorbereitung und Durchführung. Da mit der Messung der Reaktionszeit diese Komponenten
nicht unterschieden werden können, ist auch die Frage nach einer Erleichterung einer der Komponenten durch den Atmungszustand nicht beantwortbar.
Zur Untersuchung des Einflusses des Atemzyklus auf die Stimulus-Selektion
ist eine Reaktionsaufgabe deshalb ungeeignet und ein anderes Untersuchungsparadigma müsste hier angewendet werden (z.B. Priming). Gemäss
Easterbrook (1958) korreliert die Merkmalselektion mit der Erregung. Der
vorgefundene Shift in der Beziehung zwischen Ti und Arousal bei den Extravertierten untermauert ebenfalls den Zusammenhang zwischen Ti und der
Merkmalselektion und zeigt auf, wie Persönlichkeitsmerkmale in die Stimulus-Selektions-Beziehung einfliessen. Da alle mentalen Aufgaben StimulusSelektion sowie Handlungsselektion und Handlungsverrichtung verlangen
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wird hier postuliert, dass die Atmungszeiten primär an die Aufgabenanforderungen angepasst werden, insbesondere da die primäre Motivation der Versuchspersonen darin bestand die Aufgabe zu erfüllen.
Im Gegensatz dazu verlangte das Bilderanschauen keine Reaktion, die Versuchspersonen hatten nur zu Schauen. Der Einfluss der Stimulus-Valenz auf
Ti konnte nur beim Bilderanschauen sichtbar werden, da dabei die Atmungszeiten nicht an eine Aufgabe gebunden waren. Die Beanspruchung
aber (insoweit Beanspruchung überhaupt zu Valenzverschiebungen führt)
kann, wegen dem Gebundensein der Atmungszeit an die Aufgabe, nicht
durch diesen Parameter ausgedrückt werden.
Der respiratorische Rhythmus spiegelt nicht nur die Erregung, sondern wird
an die Aufgabenanforderung im Sinne einer Optimierung der Stimulusselektion (Ti) und Handlung (Te) angepasst. Bei nicht-aufgaben- gebunden Atmungszeiten aber kann die Stimulus-Valenz Ti modifizieren. Der respiratorische Rhythmus wird auch in anderen höheren kortikalen Zentren gefunden
und es stellt sich die Frage ob die respiratorische Oszillation nicht eine generelle Zeitgeberfunktion im Umgang des Menschen mit seiner Umwelt darstellt.
9.2.2 Das Inspirationsvolumen (Vi)
Im Gegensatz zu Ti differenziert der Inhalationsfluss (Vi/Ti), sowie die Minutenventilation (MV) sehr klar zwischen den verschiedenen Aufgaben im Versuch II. Die Veränderung des Vi/Ti und der MV (Vi/Ttot) muss also über den
zweiten Parameter, nämlich über Vi variiert worden sein. Extraversion beeinflusste nicht nur das Verhalten von Ti, sondern ebenso Vi, wodurch der Inhalationsfluss Vi/Ti nicht unterschiedlich war bei In- und Extravertierten. Unsere
Resultate suggerieren, dass Vi verwendet wird, um bei konstant gehaltenem,
optimierten Ti, die dadurch noch nicht abgedeckten, metabolischen Anforderungen des Organismus zu erfüllen. Zu den metabolischen Anforderungen
gehören sicher die Anforderungen der involvierten Muskulatur sowie die der
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Tätigkeitsregulation, die wie argumentiert eine Aufmerksamkeitsregulation
beinhaltet.
Wenn Atemgas mit dem nicht riechenden CO2 angereichert wird, so bewirkt
dies bei den meisten Versuchspersonen eine Zunahme der Atmungstiefe
(Haldane et al 1919). Die arbeitende Muskulatur produziert CO2 und dieses
wiederum vertieft Vi. Aber das langsame Tapping und der Kombi-Test (im
Experiment II) waren auch mit einer motorischen Verrichtung verknüpft und
dennoch nahm Vi unter diesen Bedingungen nicht zu. Das langsame Tapping bewirkte eine stärkere Aktivierung im EMG als der Multitest, Vi nahm
jedoch beim langsamen Tapping deutlich ab, blieb hingegen beim Multitest
konstant. Die festgestellte Steigerung der MV entspricht auch in bezug auf
die Grössenordnung ganz und gar nicht dem metabolischen Bedarf. So
nahm Vi bei gesunden Probanden bei einer ca. 40-prozentigen Anspannung
der gesamten Armmuskulatur überhaupt nicht und bei einer Anspannung
von 80% bloss um 5% zu (Ritz 1996). Der Tracking Test bewirkte eine 13%
Zunahme in Vi in der Untersuchung II. Also kann nur ein kleiner Anteil der
Vi-Modulation auf die effektive motorische Verrichtung zurückgeführt werden. Vi zeigte einen klaren Zusammenhang mit der Aktivierung des dominanten aufgaben-irrelevanten M. Trapezius (Experiment II). Die induzierte
Anspannung vertiefte Vi.
Im Gefühlsexperiment (Untersuchung IV) zeigte sich bei Vi eine Abhängigkeit in quadratischer Form von der Valenz- und Dominanzdimension: Vi war
bei tiefer Valenz hoch, aber auch wenn die betreffende Person das Gefühl
hatte, die Situation sei überwältigend. Im valenz- und dominanzneutralen
Bereich jedoch lag Vi tiefer um bei stark positiver Valenz wieder etwas zuzunehmen, wobei verschiedene Vi-Valenz-Beziehungen festgestellt wurden.
Das Verhalten von Vi könnte auch im Gefühlsexperiment im Zusammenhang
mit muskulärer Anspannung, nämlich der mimischen Muskulatur, stehen. So
zeigten Greenwald et al (1979) sowie Bradley et al (1993), dass die Aktivität
des M. corrugators in negativ linearer Abhängigkeit mit der Valenz steht, der
M. zygomaticus in quadratischer Abhängigkeit mit der Valenz, indem die Aktivierung des Zygomaticus bei stark positiver Valenz zunahm (z.B. Lächeln).
Das Verhalten von Vi im Gefühlsexperiment kann, in Anbetracht des gefunI N S TI T U T F Ü R H YG I EN E U N D AR B EI T SPH YS I O L O G I E
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den Zusammenhanges von Vi mit aufgaben-irrelevanter Muskulatur, durch
die Aktivierung der mimischen Muskulatur erklärt werden. Gemäss Porges
(1994) wird die mimische Muskulatur stark durch das vegetative Nervensystem geprägt. Ritz (1996) fand einen Zusammenhang zwischen mimischer
Muskulatur und Vi bei seinen gesunden Versuchspersonen, nicht aber bei
Asthmatikern.
Wientjes (1998) wies nach, dass die Grösse von Vi mit motivationalen Faktoren zusammenhängt und stellte an Hand von pCO2-Messungen fest, dass
seine Versuchspersonen beim Ausführen mentaler Aufgaben eine höhere
Minutenventilation aufwiesen als dies metabolisch notwendig gewesen wäre.
Er interpretierte Vi als Stressindikator. Die Versuchspersonen hyperventilierten (allerdings von klinisch irrelevantem Ausmass) unter der Aufmerksamkeit
fordernden Aufgabe. Das Atmzugvolumen (Vi) verhielt sich bei mentaler Arbeit variabler als die Zeitkomponenten (Mador und Tobin 1991). Kopfrechnen, audiovisuelle Stimulation (Fernsehen) und im Schädlichkeits-Bereich
liegende Lärmexposition bewirkten eine Zunahme der Minutenventilation
und von Vi/Ti. Die Zunahme von MV wurde bei den Rechenübungen und der
audiovisuellen Stimulation einzig durch die Erhöhung der Frequenz erreicht,
Lärmexposition dagegen erhöhte auch Vi. Aus unseren Untersuchungen
resultierte ebenfalls, dass Vi zunimmt, und zwar sowohl bei erhöhter subjektiver als auch bei zunehmender objektiver (EMG der aufgaben-irrelevanten
Muskulatur) Einschätzung der Beanspruchung. Variationen der Tiefe bei
schneller Atmung korrespondieren gemäss Boiten et al (1994) mit verschiedenen Punkten auf einem Inhibitions-Exzitations-Kontinuum; Oberflächliches
schnelles Atmen entspricht üblicherweise Zuständen konzentrierter Aufmerksamkeit und kann über Einflüsse, die im Zusammenhang mit Kontrollverlust oder emotionaler Aufregung stehen, modifiziert werden. Kontrolle
steht immer in einem Zusammenhang mit Regulation. Die Auseinandersetzung mit einer Aufgabe verläuft nach Richter und Hacker (1997) in einer zyklischen Abfolge von Destabilisierungs- und Restabilisierungsbemühungen.
Die Destabilisierung enthält einerseits beanspruchungsbedingt ablaufende
reflektorischen Anteile und andererseits zielgerichtete, zum Zwecke der
Restabilisierung eingesetzte, kostenpflichtige Anteile. Die Beziehung zwiI N S T I TU T FÜ R H YG I EN E U N D AR B E I T SP H YS I O L O G I E
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schen Vi und der affektiven Dimension Valenz wurde nur in den ersten 15
Sekunden gefunden, also gerade nach Beginn der Bildserie, wo primäre
Einschätzungen und Vergleich, sowie darauffolgende Regulationsvorgänge
stattfinden. Regulationsvorgänge sind mit einem metabolischen Bedarf verknüpft.
Zusammengenommen wird postuliert, dass Vi die situationale metabolische
Beanspruchung, zusammengesetzt aus motorischen, emotionalen und tätigkeitsregulatorischen Anteilen, repräsentiert.
9.2.2.1 Fazit
Gemäss dem hier vorgestellten Modell ist Ti ein Mass der Aufmerksamkeit
und Vi ein Mass der benötigten metabolischen Anforderungen. Infolgedessen müsste Vi/Ti sowie MV (Vi/Ttot) Summenparameter darstellen und ein
Mass des energetischen Aufwandes darstellen, was die gefundenen Beziehungen mit den subjektiven Beanspruchungsparametern aber auch mit den
Emotionsdimensionen tatsächlich bestätigen. Es ist zu beachten, dass ein
erhöhtes Vi/Ti theoretisch nicht unbedingt eine erhöhte MV bewirken muss.
Das Verhalten der Exspirationszeit und der Pausen spielen eine wesentliche
Rolle ob ein erhöhtes Vi/Ti die MV erhöht. Unsere Vorstellungen gehen dahin, dass je nach Aufmerksamkeitsanforderungen der Aufgabenstellung primär Ti auf ein bestimmtes Mass verkürzt wird und in Abhängigkeit des zusätzlichen motorischen und emotionalen metabolischen Bedarfes Vi die
Feinanpassung vornimmt. Es ist also das Zusammenspiel der Atmungszeiten und Vi, dass den Gesamtaufwand bestimmt. Würde nur Vi als Indikator
der Beanspruchung im Experiment II analysiert, würde die langsame Tapping- Aufgabe und der Multi-Test zu keiner Beanspruchung führen. Würden
nur die Atmungszeiten analysiert, könnten die Aufgaben nicht unterschieden
werden. Auch beim Betrachten der Herzrate fällt auf, dass der langsame
Tapping Test eine Abnahme des Pulses zeigt. Die subjektiven Einschätzungen zeigen aber, dass auch diese Aufgabe eine leichte Beanspruchung induzierte. Das würde bedeuten, dass die Beanspruchung nicht alleine eine
Funktion der Aufmerksamkeitsregulation, sondern eine Funktion der primär
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investierten Aufmerksamkeit sowie ihrer Regulation darstellt. Der Inspirationsfluss und die Minutenventilation repräsentieren diesen Gesamtaufwand
und sind am deutlichsten mit der Beanspruchung verknüpft. Ti und Vi aber
geben Hinweise auf die situationalen Ursprünge der Beanspruchung.
9.3 Methodik
Insgesamt erwies sich die entwickelte Atemmustermessumgebung RespiG
als höchst zufriedenstellend für Laborversuche. Sie gewährleistet sicheres
und zuverlässiges Handhaben der Daten, automatisiertes Schneiden der
Datenfiles anhand der gesetzten Marker und damit auch ein wirklich zeitgleiches Analysieren der verschiedenen physiologischen Parameter (z.B. EMG,
EKG). Zusätzlich wird eine Standardisierung der Volumenkalibration und
ihrer Kontrolle garantiert. Eine Weiterentwicklung für Feldversuche – die es
ermöglichen würde, dass auch Bewegungsänderungen erfasst und damit
das Volumen richtig korrigiert und ausgewertet werden könnte - ist ein zwingend notwendiger Schritt um das vielversprechende Abbild der psychomentalen Beanspruchung in der Atmung auch unter realen Bedingungen zu prüfen. Das heutige System wäre ferner in dem Sinne zu erweitern, dass nicht
nur die zeitlichen Abläufe von Vi, sondern auch von Ti und Vi/Ti geplottet
werden könnten. Diese zeitlichen Plots erwiesen sich als sehr hilfreich bei
der Wahl der Auswertung und machten uns schon rein optisch auf gewisse
Phänomene aufmerksam. Zur Zeit lässt sich aus der Atemkurve nicht die
reine Exspirationszeit (Te) ermitteln, sondern eigentlich Te + Pe (Pe = Exspirationspause). Diese Pausen sind zwar im Kurvenausdruck manuell leicht
überprüfbar, sollten aber dennoch in das Standard-Analyse-Verfahren integriert werden. Te ist ein häufig vernachlässigter Parameter. Das Verhältnis
Ti/Te könnte wie oben argumentiert, wesentliche Aufgabenanforderungen in
bezug auf Stimuluswahrnehmung und Handlung aufzeigen.
Was die Aussagekraft der Versuche am meisten einengt, ist die teilweise
recht beschränkte Anzahl von Versuchspersonen. Eine grössere Anzahl von
Probanden würde eine detailliertere Analyse der Daten erlauben und die
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sich abzeichnenden Tendenzen könnten entweder bestätigt oder verworfen
werden. An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass sämtliche Experimente ohne externe finanzielle Unterstützung durchgeführt wurden. Der
personelle und zeitliche Einsatz musste demnach in engen Grenzen gehalten werden und liess ein Ausweiten des Probanden-Kollektives nicht zu.
Die Experimente wurden gemäss den Fragestellungen entworfen und sind
insgesamt als gelungen zu betrachten. Allerdings ist das Experiment, das
Aufschluss über die Auswirkungen der induzierten Gefühle auf die Atmung
geben sollte, im Bereich der Gefühlsinduktion nicht ganz zufriedenstellend.
Es wäre von Vorteil gewesen, den Versuchspersonen nicht fünf Bilder unmittelbar hintereinander, sondern jeweils nur je ein Bild zu präsentieren und
ihnen dafür 30 Sekunden Betrachtungszeit einzuräumen – statt bloss sechs.
Die gewählte Abfolge von 5 Bildern pro Bildserie – wenn auch mit ganz ähnlichen ‚Gefühlswerten’ – und einer Betrachtungszeit von 6 Sekunden stellt
eine Abfolge von gleichwertigen, aber immer neuen Reizen dar. Dieser Neuigkeitscharakter ist im nachhinein als Störfaktor zu werten; da wir mehr an
den tonischen oder strategischen Veränderungen interessiert waren. Wir
hätten Langweile oder innere Abwendung während einer 30 Sekunden dauernden Bildpräsentation in Kauf nehmen sollen. Nichtsdestotrotz sind die
Ergebnisse der Gefühlsstudie durchaus aufschlussreich und die Studie dürfte wohl nicht zuletzt wegen ihrer Unzulänglichkeiten zu weiteren Untersuchungen anregen.
9.4 Praktische Empfehlungen
Die vorgestellten Untersuchungen waren nicht primär praxisorientiert. Dennoch lassen sich einige wenige praktische Empfehlungen festhalten.
•
Aufgabengestaltung: Wenn eine Reaktions-Aufgabe im Rahmen einer
Mehrfachverrichtung sehr wichtig ist, so ist der optische Stimulus nicht
zentral, sondern peripher und mit einem Bewegungsanteil versehen zu
platzieren. Periphere sich bewegende Stimuli werden bei einer Ablenkung eventuell langsamer verarbeitet, doch sie werden verarbeitet.
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•
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Aufgabengestaltung: Wenn eine wichtige Aufgabe vom Kurzzeitgedächtnis abhängig ist - wie dies bei der Erkennung der Farbsequenz der Fall
war - so ist dieser Aufgabe die Ziel-Priorität einzuräumen, damit sie gegen Ablenkungen gefeit ist. Als Zweitaufgabe wird eine solche, vom
Kurzzeitgedächtnis abhängige Aufgabe, allzu sehr durch Umwelteinflüsse oder auch durch eine Zweitaufgabe beeinträchtigt.
•
Arbeitsgestaltung: Aufgaben, die kontinuierlich Aufmerksamkeit und permanente motorische Zielkorrektur verlangen (wie das Tracking) sind von
Anspannung aufgaben-irrelevanter Muskulatur begleitet und sind beanspruchend. Solche Aufgaben sollten durch vermehrte Pausen oder durch
Aufgabenwechsel entschärft werden.
•
Arbeitsgestaltung: Generell sollte eine Aufgabe so gestaltet werden, dass
sie kurzfristig unterbrochen werden kann – damit der Proband einen externen Reiz oder eine Störung zu verarbeiten vermag – ohne dass die
Leistung darunter leidet.
•
Atemmustererfassung: Wenn das Atemmuster als Indikator für die Beanspruchung herangezogen wird, muss eine adäquate Volumen-Erfassung
gewährleistet sein.
9.5 Ausblick
Die moderate NH3-Exposition bewirkte eine Veränderung des Atemmusters.
Eine solche Veränderung muss zwangsläufig auch eine Auswirkung auf die
Ablagerung von Partikeln haben. Diese Ablagerung ist eine komplexe Funktion von Geschwindigkeit, Grösse und Verweildauer und hängt stark vom
Atemzugvolumen, der Frequenz und der Inspirationszeit ab (Heyder et al
1986). Dieselbe Minutenventilation könnte somit – würde sie durch verschiedene Atemmuster erreicht – Partikelablagerungen von unterschiedlicher
Grösse nach sich ziehen. Ebenso dürften Volumenveränderungen, insbesondere bei einer Veränderung der funktionellen Residualkapazität, die Depositionsfraktion sowie den Ort der Deposition beeinflussen.
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- 264 -
Die Bedeutung der Atmung in Bezug auf Krankheits- oder Stress-Induktion
wurde in der vorliegenden Arbeit bewusst weggelassen. Es sei hier nur kurz
auf die wesentlichen Publikationen verwiesen: Atmung und Induktion von
Krankheit: Gardener 1996, Wientjes 1993, Grossman und Wientjes 1989,
Bass und Gardener 1985, Grossmann 1983, Fokkema 1999. Atemmusterveränderungen durch Krankheit: Tobin et al 1983. Atmung und Gesellschaft:
Neubeck 1992, Intervention: Dixhoorn 1998. Vor allem im arbeitsmedizinisch
wichtigen Bereich der Beziehung zwischen Krankheit – Atmung – Wohlbefinden sind weiterführende Untersuchungen notwendig, insbesondere bietet
sich die Atmung, da sie willkürlich steuerbar ist, als Interventionsinstrument
an.
Mit Ausnahme der wenigen Frequenz- und Minutenventilationserfassungen
durch Ergospirometrie hat die Atemmustererfassung noch keinen Eingang in
die arbeits- und umweltmedizinische Forschung gefunden. Doch gerade in
Hinsicht auf die Untersuchung der Aufnahme und Auswirkungen von Noxen
verspricht das Erfassen von Atemmustern Aufschluss über wichtige modulierende Effektfaktoren. Wie gezeigt werden konnte, genügten bereits minimale
Gas-Konzentrationen um das Atemmuster zu verändern. Dieses stellt demnach einen höchst sensiblen Parameter dar um die Einflüsse luftgetragener
Stoffe zu untersuchen.
Der Einbezug von sprachlichen Äusserungen in die Atmungsuntersuchung
dürfte ein weiterer höchst aufschlussreicher Schritt in der Untersuchung der
Beanspruchung darstellen. Sprechen ist unser Hauptkommunikationsmittel.
In der Art und Weise wie die Atmung für das Sprechen eingesetzt wird, v.a.
auch im Zusammenhang mit phonetischen Analysen wird neue Anhaltspunkte für das Verständnis der Beanspruchungsreaktionen bringen.
Das Atemmuster hat sich in den präsentierten Untersuchungen auch als viel
versprechender Indikator der Beanspruchung erwiesen. Es ist an der Zeit die
Erfassungsmethoden feldtauglich zu machen um die Beanspruchung von
Menschen an realen Arbeitsplätzen zu erfassen und die postulierten Zusammenhänge zu überprüfen.
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11 Glossar
EKG: Elektrokardiogramm (Messung der Herzaktivität)
EMG: Elektromyogramm (Messung der Muskelaktivität)
F: weiblich
G: Geruch
HR: Herzrate = Herzfrequenz = Puls
HRV: Herzratenvariabilität = Herzfrequenzvariabilität = Pulsvariabilität
H2S: Schwefelwasserstoff, Hydrogensulfid
I: Intensität
K: Kognition
KRE: Reaktionszeit in der Gedächtnisaufgabe
KRITA: Anzahl Richtige in% der gegebenen Antworten
KRIZI: Anzahl richtige Antworten in % der geforderten Antworten
KT: Kombitest (Test2)
M: männlich
MO: mentale Aufgabe ohne Geruch
M1: mentale Aufgabe mit schwachem Geruch
M2: mentale Arbeit mit stärkerem Geruch
MT: Multitest (Test3)
MV: Minutenventilation: RR x Vi
MVC: maximum voluntary contraction (maximale willentliche Muskelanspannung der Muskeln). Dient oft als Referenzwert der EMGMessung
MVE: maximum voluntary EMG (Muskelaktivitätsaufzeichnung bei maximaler willentlicher Muskelanspannung)
NH3: Ammoniak
nRMS: normierte RMS-Kurve
PRE: Reaktionszeit in der peripheren Reaktionsaufgabe
PRITA: Anzahl Richtige in % der gegebenen Antworten
PRIZI: Anzahl Richtige in % der geforderten Antworten
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RO: Ruhebedingungen ohne Geruch
R1: Ruhebedingungen mit schwachem Geruch
R2: Ruhebedingungen mit stärkerem Geruch
RMS: Root Mean Square (quadrierte Mittelwerte); wird bei der Berechnung von EMG-Mittelwerten verwendet.
RR: Atemfrequenz
%RC: prozentualer Anteil der Thoraxbewegung am gesamt Volumen
S: Sex, Geshclecht
SC: Hautleitfähigkeit
SD: Standardabweichung
SEM: Standardfehler des Mittelwertes
SCV: Variabilität der Hautleitfähigkeit
%S: 1-30 Sekunden nach Beginn der Stimulierung
%Sa: 1-15 Sekunden nach Beginn der Stimulierung
%Sb: 16-30 Sekunden nach Beginn der Stimulierung
Te: Expirationszeit in sek
Ti: Inspirationszeit in sek
Ti/Ttot: Duty cycle
TL: Tapping langsam (Test4)
TR: Tracking Test (Test1)
TS: Tapping schnell (Test5)
TT: Abstand des Kursors vom Ziel (Trackingaufgabe)
Ttot: Zeit eines Atmungszyklus (Ti + Te)
Variabilität: (mean/SD) Mittelwert eines Parameters dividiert durch seine
Standardabweichung
Ve: Expirationsvolumen (Vol., das in 1 Atemzug ausgeatmet wird) in ml
Vi: Inspirationsvolumen (Vol., das in 1 Atemzug eingeatmet wird) in ml
Vi/Ti: Inhalationsfluss oder mittlere Inhalationsrate
VP: Versuchsperson
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12 Verzeichniss der Tabellen
Tabelle 1: Charakterisierung der Orientierung-, Schreck- und Abwehrreaktion .....37
Tabelle 2: Übersicht über Atemantworten in Bezug auf Emotionen und mentale
Arbeit. Vt = Atemzugvolumen, RR = Atemrate, Vi/Ti = Inspirationsfluss, % Rc =
Prozentualer Anteil des Brustkobes am gesamten Atemzugsvolumen (%Rc +%Ab =
Vt). ...........................................................................................................................54
Tabelle 3: Prinzipien, Kennzeichen und Problematik der verschiedenen
Kalibrierungsmethoden............................................................................................66
Tabelle 4: Einfluss des Positionswechsels auf die Genauigkeit der Volumenmessung
mittels Respitrace.....................................................................................................68
Tabelle 5: Charakteristika der Versuchspersonen ...................................................70
Tabelle 6: Beschreibung der berücksichtigten Sitzpositionen (OS = Oberschenkel)72
Tabelle 7: Regressionskoeffizienten und Interzepte (Besser Plural!!) aufgeschlüsselt
nach Kalibrierungsposition und eingenommener Körperhaltung ............................74
Tabelle 8: RC-Anteil am Vt in % (Mittelwert (SD)...................................................76
Tabelle 9: Funktionsbeschreib der RespiG-Files .....................................................84
Tabelle 10: Beschreibung der .lor Datei................................................................114
Tabelle 11: Beschreibung der loc. Datei................................................................115
Tabelle 12: Beschreibung der .loa Datei ...............................................................116
Tabelle 13: Charakterisierung der Versuchspersonen ...........................................122
Tabelle 14: p- und F-Werte der verschiedenen Atemparameter während der
verschiedenen Pausen............................................................................................137
Tabelle 15: ANOVA p- und F-Werte für den Vergleich der Atemparameter der Testund Pausenphasen .................................................................................................138
Tabelle 16: Zusammenstelleung der ANOVA p- und F-Werte des gruppierenden
Faktors Geschlecht für die Brustkorbatmung (%RC).............................................138
Tabelle 17: Zusammenstellung der ANOVA p- und F-Werte während Test- (T) und
Pausenphasen (P) sowie der Atemantwort (Delta)für den Vergleich zwischen
Männern und Frauen .............................................................................................139
Tabelle 18: Zunahme der Minutenventilation in Mililiter und (SD) unter den
verschiedenen Aufgaben ........................................................................................142
Tabelle 19: Übersicht über die p und F-Werte der Varianzen zwischen den Tests und
zwischen den Pausen, sowie zwischen Test und Pausen.........................................143
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Tabelle 20: Mittelwerte der verschiedenen Muskelaktivitäten während den
unterschiedlichen Aufgaben in % des Referenzwertes (SD) sowie die F und p Werte
der Varianzanalyse. ...............................................................................................145
Tabelle 21: Vergleich der Experteneinschätzung mit der tatsächlichen
Muskelaktivität: Rangierung der 5 Tests nach Anforderungen an die Motorik (Rang
1: höchste Anforderung). .......................................................................................146
Tabelle 22: Pearson correlation matrix zwischen den Bewertungskriterien für die
einzelnen Tests .......................................................................................................147
Tabelle 23: Mittelwerte der subjektiven Einschätzung für die verschiedenen
Aufgaben................................................................................................................147
Tabelle 24: Leistungsparameter der verschiedenen Aufgaben, wenn kombiniert
(Multitest) oder alleine durchgeführt.....................................................................148
Tabelle 25: Hypothesenprüfung mittels den entsprechenden Kontrastmatrixen.....149
Tabelle 26: Charakterisierung der Versuchpersonen und individuelle
Geruchsschwellen ..................................................................................................167
Tabelle 27: Mittelwerte und Standardabweichung der einzelnen Atemparameter
aufgeschlüsselt nach Gerüchen..............................................................................168
Tabelle 28: General Linear Modell mit Geruch, Geruchsintensität und Kognition als
within Faktor und Sex als between Subjekt Faktor. G = Geruch, I = Intensität,K =
Kognition, H-F = p von Huyn-Feldt. * Varianzgleichheit nicht erfüllt.
(0excl.)=Phasen ohne Geruch weggelassen, (nur GS2)= nur Phasen mit stärkerem
Geruch (2xGeruchsschwelle).................................................................................169
Tabelle 29: Resultate des Wilcoxon-Tests über Drive und Ti nach Geruch in % vor
Geruch. ns = p>0.5 ...............................................................................................172
Tabelle 30: Mittelwerte und Standardabweichungen der wichtigsten Performance
Parameter (KR = Anzahl Richtige im Gedächtnistest, nicht korrigiert für
Zielvorgaben).........................................................................................................176
Tabelle 31: GLM mit Performance Variabeln als Abhängige, Geruch und Intensität
als within Faktor und Sex als Between-Faktor, (O excl) = RO und MO
ausgeschlossen, (nur G2) = nur über die Phasen mit stärkerem Geruch. I*S =
Interaktion Intensität/Sex, G*S = Interaktion Geruch/Sex. ....................................176
Tabelle 32: Mittelwerte der subjektiven Einschätzung der Valenz, Erregung und
Dominanz aufgetrennt nach Gerüchen und Phasen. ..............................................179
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Tabelle 33: Einfluss von Geruch (G), Intensität (I) und Kognition (K) als within
Faktor und Sex als between-Faktor, p = Huyn-Feldt. (nur Variabeln und
Interaktionen aufgelistet, wo mindestens eine Signifikanz gefunden wurde) ..........180
Tabelle 34: Normative Einschätzung der ausgewählten Bilder für Frauen, Männer
und beide Geschlechter zusammen gemäss (Lang 1999) sowie Mittelwert und
Standardabweichung (SD) für jede Bildserie.........................................................197
Tabelle 35: Charakterisierung der Versuchspersonen ...........................................201
Tabelle 36: Mittelwerte und (SD) für die affektiven Dimensionen der einzelnen
Bildserien, * p<0.001 ............................................................................................202
Tabelle 37: Vergleich der affektiven Einschätzungen mit denen der normativen IAPS
Werten.* p<0.05; ** p<0.01; *** p<0.001...........................................................206
Tabelle 38: Lineare und Quadratische Trends zwischen Atemparametern
undaffektiven Dimensionen (rangskaliert). %S = gesamte 30 s, %Sa = 1-15 s, %Sb
= 16-30 s ...............................................................................................................215
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13 Verzeichniss der Abbildungen
Abbildung 1:Tätigkeitsregulation unter Belastung, die Regulationen sind kursiv
eingezeichnet (mod. nach Richter und Hacker 1998)...............................................29
Abbildung 2: Die Parameter eines Atemzuges, einmal als Fluss-Zeitkurve, einmal
als Volumen-Zeitkurve dargestellt. ..........................................................................61
Abbildung 3: Ablauf eines gesamten Versuches.......................................................71
Abbildung 4: % Anteil der Abweichungen, die über ± 20% von der ermittelten
Regressionsbeziehung in der Kalibrierungsposition HSH (vordere Abb.) und VSH
liegen .......................................................................................................................75
Abbildung 5: Messaufbau für RespiG ......................................................................83
Abbildung 6: Schematische Darstellung des internen Aufbaus des Hauptmoduls von
RespiG. ....................................................................................................................86
Abbildung 7: Spektrogramm der Störung (Brummschleife) .....................................90
Abbildung 8: Schematische Darstellung des internen Aufbaus von RespiG
Kalibrierung. ...........................................................................................................91
Abbildung 9: Analoges Flow-Signal, auf welches der Min/Max-Algorithmus
erfolgreich angewendet wurde.................................................................................94
Abbildung 10: Bestimmung des Umrechnungsfaktors für FLOW von Volt nach
Milliliter...................................................................................................................99
Abbildung 11: RespiG – Atemmuster-Aufzeichnung (LabView virtual instrument)101
Abbildung 12: RespiG-Kalibrierungsfenster..........................................................107
Abbildung 13: Auswertung der Kalibrierungsmessungen und Anzeige des
Umrechnungsfaktors (%Vt zu Vt), wobei die Messgenauigkeit ok ist.....................110
Abbildung 14: Messwerte der letzten Kalibrierungsphase (Messgenauigkeit ok) ..111
Abbildung 15: Auswertung der Kalibrierungsmessungen und Anzeige des
Umrechnungsfaktors (%Vt zu Vt), wobei der Messfehler zu gross ist ....................111
Abbildung 16: Messwerte der letzten Kalibrierungsphase (Messfehler zu gross)
Grund war ein zu loses “Rip cage”-Band, das auf- und abrutschte.......................112
Abbildung 18: Geräte für die EMG-Messung ........................................................124
Abbildung 19: Versuchsablauf...............................................................................126
Abbildung 20: Vi, Ve Plot mit gesetzten Markern ..................................................134
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Abbildung 21:Vergleich des Drives (Mittelwert aller VP) während der Pausen in
zeitlicher Abfolge ...................................................................................................137
Abbildung 22: Darstellung der Anteile der Brustatmung bei Frauen und Männern
am gesamten Volumen, während den Test- und Pausenphasen..............................138
Abbildung 23: Veränderungen des Inspirationsvolumens bei den verschiedenen
Tests.......................................................................................................................140
Abbildung 24: Veränderung der Inspirationszeit bei den verschiedenen Tests ......141
Abbildung 25: Veränderungen von Vi/Ti bei den verschiedenen Tests...................141
Abbildung 26: Puls während den verschiedenen Pausen (Pause 1 = Pause vor dem
1. Versuch).............................................................................................................143
Abbildung 27: Pulsantwort auf die verschiedenen Testanforderungen ..................144
Abbildung 28: Muskelaktivität in Prozent des Referenz EMG’s während den
verschiedenen Tests (Mittelwerte aller VP) ...........................................................145
Abbildung 29: Zubereitung und Verabreichung der Gerüche................................162
Abbildung 30:Ti dargestellt als Box-Plot aufgetrennt in Gerüche und Bedingungen,
wobei nur Ruhe mit stärkerem Geruch und mentale Aufgabe mit stärkerem Geruch
dargestellt sind. Die Geruchsreihenfolge ist 1=Pentylacetat, 2= Menthone, 3= H2S,
4= NH3..................................................................................................................171
Abbildung 31: Box-Plot von Vi/Ti nach Stimulus in % vor Stimulus für die 4
Gerüche. ................................................................................................................173
Abbildung 32: zeigt als Box-Plot die, wie oben beschrieben, errechneten Differenzen
in Vi/Ti während der mentalen Arbeit für die verschiedenen Gerüche. 1 =
Pentylacetat, 2= Menthon, 3 = H2S, 4 = NH3, wobei H2S und NH3 beide
signifikant unterschiedlich sind von Menthon und Pentylacetat.............................174
Abbildung 33: Anzahl richtige Antworten pro Zielvorgabe im Gedächtnistest in
Abhängigkeit der Gerüche, ausgedrückt als % der geruchsfreien Phase...............178
Abbildung 34: Reaktionszeit im peripheren Aufmerksamkeitstest in Abhängigkeit der
Gerüche ausgedrückt in % der geruchsfreien Phase..............................................178
Abbildung 35: Mittelwerte von Valenz, Arousal und Dominanz aufgetrennt nach
Gerüchen und Bedingungen. hell schraffiert = mentale Aufgabe, dunkel schraffiert
= Ruhe. Immer Balken 1,2 = Pentylacetat, 3,4 = Menthon, 5,6 = H2S, 7,8 = NH3
...............................................................................................................................180
Abbildung 36: Mittelwerte der Valenz Einschätzung für Frauen und Männer (mean
und SD)..................................................................................................................203
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Danuser
- 293 -
Abbildung 37: Mittelwerte und SD der Erregungseinschätzung für Frauen und
Männer ..................................................................................................................204
Abbildung 38: Mittelwerte und SD für die Dominanz-Einschätzung von Frauen
undMännern...........................................................................................................204
Abbildung 39: Valenz-Einschätzung in Abhängigkeit der
PersönlichkeitsvariableExtraversion (mean und SD).............................................205
Abbildung 40: Valenz und Dominanz Einstufungen ...............................................206
Abbildung 41: Veränderung von Vi/Ti bei den einzelnen Bildserien (mean und SEM)
...............................................................................................................................208
Abbildung 42: Vi, Ti und Inspirationsfluss Vi/Ti ausgedrückt als Median über
alleBildserien in Abhängigkeit der Persönlichkeitsvariable Extraversion .............209
Abbildung 43: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsfluss
(Vi/Ti%Sb). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang.
Linear R (Pearson)=-0.642....................................................................................210
Abbildung 44: Verteilung der intrasubjektiven Korrelationen zwischen Valenz
undInspirationsfluss (Vi/Ti %Sb). Korrelationen unter 0 weisen in die
entgegengesetzte Richtung .....................................................................................210
Abbildung 45: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsvolumen
(Vi%Sa). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang für
alle Versuchspersonen. ..........................................................................................211
Abbildung 46: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsvolumen
(Vi%Sa). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang für
13 Versuchspersonen. ............................................................................................211
Abbildung 47: Kovariation der Valenz Einstufungen mit dem Inspirationsvolumen
(Vi%Sa). Die Abbildung zeigt Mittelwerte und SEM bei jedem subjektiven Rang für
9 Versuchspersonen. ..............................................................................................212
Abbildung 48: Beziehung zwischen der subjektiven affektiven Dimension Erregung
(inRangreihenfolge) und Ti (Mittelwerte und SEM). Lineares R (Pearson) = 0.743
...............................................................................................................................213
Abbildung 49:Verteilung der individuellen Korrelationen zwischen Arousal und
Inspirationszeit über die ganze Bildserie (Ti %S). .................................................213
Abbildung 50: Individuelle Korrelationen zwischen Arousal Einstufungen und dem
Inhalationsfluss (Vi/Ti %Sb) ..................................................................................214
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wiss. Arbeit
- 294 -
Abbildung 51: Kovariation der affektiven Dominanz-Einstufungen mit dem
Inspirationsfluss (Vi/Ti %Sb). Mittelwerte und SEM..............................................215
Abbildung 52: Kovariation zwischen Arousal und Hautleitfähigkeit SC (%Sa).
(Mittelwerte und SEM). Linear R (Pearson)=0.799. Ähnliche Werte wurden für %Sb
und %S erhalten.....................................................................................................218
Abbildung 53: Kovariation zwischen Arousal und Variabilität der Hautleitfähigkeit
SCV (%S). (Mittelwerte und SEM). Linear R (Pearson)=0.767.............................218
Abbildung 54: Kovariation zwischen Arousal und HRV (%S) Mittelwerte und SEM.
Quadratisches R2=0.805........................................................................................219
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Danuser
- 295 -
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